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要节能@@，为@@什么先要做好电子产品@@热设计@@@@？

judy — Tue, 26 Sep 2023 07:00:38 +0000

随着电子产品@@小型化@@@@、智能化@@、多样化的@@发展@@，给产品热设计@@带来了更严峻的@@挑战@@。一@@方面@@，随着边缘计算和@@人工智能@@的@@发展@@，让算力更为@@密集@@；另一@@方面@@@@，随着双碳目标迫近@@，对于@@功率@@等@@级要求也持续提高@@；因此@@单一@@设备的@@功率@@密度正在@@不断攀升@@，热功率@@也相应的@@随之提高@@，而@@热设计@@也就受到@@了越来越多的@@关注@@。

热设计@@的@@必要性和@@挑战@@

所谓热设计@@@@（Thermal Design），是@@指在@@工程设计中考虑和@@优化热传导@@、热辐射@@和@@热对流等@@热学因素@@的@@过程@@。它主要涉及如何有效地管理和@@控制热量@@@@，以确保设备@@、系统或@@产品在@@运行时@@能够正常工作并满足性能要求@@。

热设计@@通常应用于各种领域@@，包括电子设备@@、汽车@@、航空航天@@、能源系统等@@@@。在@@这些应用中@@，热设计@@的@@目标是@@防止过热或@@过冷@@，维持适当@@的@@工作温度范围@@，以避免设备损坏@@、性能下降或@@故障@@。

图@@1：电子产品@@热设计@@的@@重要性@@（图@@源@@：GEC研究院@@）

如上@@图@@所示@@@@，从@@芯片@@角度来看@@，根据@@GEC研究院@@的@@数据@@，节点寿命会随着节点温度提升而@@大幅降低@@，失效率加速@@。从@@系统角度来看@@，根据@@美国空军航空电子整体研究项目的@@结@@论@@，55%的@@设备故障原因来自于温度因素@@@@。

因此@@温度可以说是@@电子设备的@@第一@@大杀手@@，设备的@@电气性能和@@热分布会相互影响@@@@：温度过高会导致电子产品@@的@@绝缘性能退化@@，电阻降低@@，材料@@老化@@；像处理器@@、变压器等@@芯片@@@@，高温会使其性能下降@@；进一@@步的@@高温会造成元器件功能失效@@。

不良的@@热设计@@会导致系统内部产生更多高电流浪涌@@，导致系统中被引入了主要芯片@@之外的@@额外热源@@。为@@了处理好这些不利热点的@@影响@@@@，保证产品的@@稳定运行@@，就不得不额外增加温度控制功能@@，从@@而@@增加了额外的@@能耗@@。做好热设计@@@@，不但能让产品更稳定@@，也是@@系统节能的@@关键一@@环@@。

热设计@@软件制造商@@Future Facilities（已于@@2022年被@@Cadence收购@@）的@@研究发现@@，新的@@热设计@@重点将主要由人工智能@@@@、物联网@@@@、5G和@@边缘计算等@@技术推动@@。Future Facilities产品经理@@Chris Aldham曾表示@@：

过去几年技术的@@进步导致工程师看待热设计@@的@@方式发生了前@@所未有的@@变化@@。人工智能@@、5G、边缘计算和@@物联网@@@@的@@引入都对电子产品@@的@@运行方式和@@地点产生了重大影响@@@@，而@@这反过来又意味着从@@热学角度需要考虑一@@系列新的@@因素@@@@。

图@@2：电源系统性能和@@热管理息息相关@@（图@@源@@：Molex)

当@@前@@对于@@电子产品@@而@@言@@，热设计@@的@@挑战来自方方面面@@。

1. 小型化@@

小型化@@带来的@@计算密度和@@功率@@密度的@@提升@@，而@@且小型化@@同时@@@@也就意味着需要尽量采用@@无风扇或@@者小型风扇的@@设计@@，这直接对于@@系统散热@@设计@@提出了更高的@@要求@@。

2. 信号传输@@

系统中的@@信号处理速度越来越快@@，这种高速信号的@@传输和@@处理也会产生更多的@@热量@@@@。

3. 屏蔽设计@@

当@@前@@的@@系统中@@，为@@了保证信号的@@完整性会采用@@更多的@@屏蔽设计@@@@，这种屏蔽设计@@本身对于@@散热@@就产生了不利的@@影响@@@@。

而@@上@@述提到@@的@@挑战仅仅来自于设备内部@@，还有更过设备外部环境因素@@需要考虑@@：像数据中心@@、储能站等@@设备排布密集的@@工作环境@@，各个设备之间@@相互的@@热辐射@@就很大@@；而@@一@@些@@高海拔地区的@@设备@@，由于@@工作环境空气稀薄@@，因此@@对于@@设备散热@@要求也就更高@@。

再深入到@@芯片@@设计@@的@@领域来看热量@@管理的@@挑战@@：为@@了维持单位@@面积@@上@@算力的@@提升@@，3D封装@@芯片@@成为@@芯片@@设计@@的@@必然趋势@@。而@@这种@@3D堆叠的@@结@@构@@会产生高热阻@@@@，且在@@不同芯片@@功耗@@不均匀情况下更易导致热点@@、高温梯度和@@热应力等@@热问题@@。硅通孔@@(TSV)被认为@@是@@降低@@3D IC温度的@@有效手段@@，因此@@被广泛使用@@。

图@@3：3D封装@@芯片@@内部金属@@互联结@@构的@@温度分布图@@@@（图@@源@@：Cadence)

传统上@@来说热设计@@是@@一@@门小众的@@细分领域@@，通常是@@由具备热传递知识背景的@@机械工程师@@，为@@所有的@@业务部门提供热设计@@服务@@。

在@@那时@@候热设计@@更多和@@机械部分相关@@，和@@电子部分是@@分开独立进行的@@@@。而@@在@@现在@@@@，随着设备越来越小型化@@和@@高功能化@@，热设计@@与@@整个系统的@@性能和@@可靠性表现愈发密切@@，需要从@@产品的@@原型设计阶段就进行热设计@@的@@考量@@。热设计@@工程师除了必备热知识背景外@@，还应具备机械@@、电气和@@电子背景@@，能够熟练使用@@EDA设计工具和@@各种仿真工具@@，与@@电子设计团队并行进行热设计@@@@。

图@@4：各设计部门共同减少发热量@@@@，减少试生产次数@@（图@@源@@：ROHM Semiconductor)

好的@@热设计@@@@，从@@选型开始@@

芯片@@厂商同样需要重视热量@@管理@@，通过@@优化芯片@@热性能可以实现整个系统功率@@密度的@@突破@@。

1. 工艺制程创新@@

首先是@@通过@@工艺制程的@@创新来增强热性能@@。例如@@在@@减少芯片@@体积的@@同时@@@@尽量减少功率@@器件@@的@@导通电阻@@；或@@通过@@新的@@工艺节点来优化引脚布局@@并提供额外接地等@@@@。

2. 芯片@@设计@@

其次在@@芯片@@设计@@方面@@，可以将温度监控功能集成到@@关键芯片@@的@@内部@@，通过@@高效的@@开关来实现不同工作负载下的@@动态调节@@，为@@高度集成的@@电路设计实现更高的@@功率@@@@。在@@封装@@方面@@，可以通过@@创新的@@封装@@方式@@，例如@@加大引脚面积@@@@、优化引脚材质@@和@@设计等@@@@，来实现芯片@@更高的@@散热@@效率@@。

3. 方案设计@@

从@@方案设计@@角度来看@@，要优化整个系统的@@热传导路径@@。例如@@像一@@些@@顶部散热@@功率@@芯片@@@@，近年来也逐渐流行@@，选择此类芯片@@能够减少热量@@向@@PCB的@@直接传导@@，通过@@芯片@@顶部直接将热量@@辐射或@@传导到@@设备外壳外@@。

图@@5：Apple申请的@@自适应热控制系统专利@@（图@@源@@：https://appft1.uspto.gov)

总体而@@言@@，好的@@热设计@@@@需要从@@系统整体来考虑@@，从@@芯片@@选型的@@阶段就将热设计@@目标考虑在@@内@@。芯片@@、连接器和@@@@PCB都要根据@@整体的@@热指标来进行选择或@@设计@@，其中@@连接器等@@接插件的@@好坏对热设计@@非常重要@@，选择具有良好热管理的@@连接器@@芯片@@@@，能够直接帮助优化整个系统的@@热设计@@@@。

接下来@@，就为@@大家推荐几款来自@@Molex的@@具有优秀热设计@@特点的@@连接器@@产品@@。

首先在@@电源连接器的@@选择上@@@@，可以考虑@@Molex的@@PowerWize大电流互连系统@@。这是@@一@@款大电流线对板@@@@/线对母线互连系统@@，双电路插头和@@插座外壳提供两种尺寸@@：6mm（额定电流高达@@120A）和@@8mm（额定电流高达@@175A）。

热设计@@方面的@@优势在@@于该器件采用@@低接触电阻和@@低压降设计@@，极大限度地减少了触点接口的@@热量@@生成@@。此外@@，更高的@@额定电流和@@更紧凑的@@外形设计@@，也就意味着该器件能够支持更高功率@@密度的@@产品设计@@。

图@@6：Molex的@@PowerWize大电流互连系统@@（图@@源@@：贸泽电子@@)

对于@@热设计@@而@@言@@，热敏电阻是@@必不可少的@@热管理器件之一@@@@。Molex提供的@@@@NTC热敏电阻探头@@采用@@了独特的@@柔性设计@@，能够适用于在@@难以触及的@@位置提供准确的@@温度读数@@。

此外@@，该器件提供了高达@@1.5KVAC的@@介电耐压@@，能够持续@@3秒@@；在@@500VDC时@@能够实现高达@@100MΩ的@@绝缘电阻@@；正常工作温度范围支持@@-40°C至@@250°C。良好的@@抗高压和@@宽广的@@温度范围支持其在@@任何严苛的@@设计中正常工作@@。

在@@设计自由度方面@@，该器件预留可直接焊接到@@@@PCB板@@并装配到@@接线板@@的@@自由端电线@@，这些末端电线还可压接到@@端子上@@@@，并与@@连接器一@@起使用@@，从@@而@@为@@设计人员提供了更多灵活的@@设计选项@@。

图@@7：Molex NTC热敏电阻探头@@（图@@源@@：Molex)

最后@@再给大家推荐一@@款同样是@@来自@@Molex的@@连接器@@——VersaBlade线对线连接器系统@@。该器件能够在@@系统中实现@@300V和@@15.0A的@@可靠信号和@@电源传输@@，并具有防止误插配和@@导致信号故障的@@特性@@。

在@@散热@@设计@@方面@@，该器件采用@@了双排系统设计@@，有助于加速散热@@并实现较小的@@结@@合力@@。此外@@，具有灼热丝功能的@@外壳符合全球安全和@@环保要求@@。

图@@8：Molex VersaBlade线对线连接器系统@@（图@@源@@：Molex)

结@@语@@

随着产品功能要求的@@不断提升@@，导致设备内部元器件贴装更为@@密集@@，发热量@@也随着计算和@@功率@@密度同步增加@@，散热@@设计@@却因为@@设备外型限制而@@变得更加困难@@。因此@@，要实现优良的@@热设计@@@@，提高整个设备的@@热效率@@，要尽早开始着手考虑@@，在@@产品设计的@@原型阶段@@，就要开始规划系统整体的@@散热@@策略@@，并在@@器件选型过程中@@，就充分考虑整个系统的@@热设计@@目标对于@@单一@@器件的@@热功率@@要求@@。好的@@热设计@@@@，应从@@器件选型开始@@。

本文转载自@@：贸泽电子@@微信公众号@@

热设计@@概述@@

judy — Fri, 11 Aug 2023 02:45:53 +0000

一@@、基础知识@@

100J的@@能量@@可使@@100g水的@@温度升高约@@0.24℃。这并不是@@通过@@升高水的@@温度消耗了@@100J的@@能量@@。而@@是@@在@@水中作为@@热能保存了起来@@。

能量既不会凭空消失@@，也绝不会凭空产生@@。这就是@@最重要@@“能量守恒定律@@”。

℃是@@温度单位@@@@。温度是@@指像能量密度一@@样的@@物理量@@。它只不过是@@根据@@能量的@@多少表现出来的@@一@@种现象@@。即@@使能量相同@@，如果集中在@@一@@个狭窄的@@空间内@@，温度就会升高@@，而@@大范围分散时@@@@，温度就会降低@@。

电子产品@@接通电源后@@一@@段时@@间内@@，多半转换的@@热能会被用于提高装置自身的@@温度@@，而@@排出的@@能量@@仅为@@少数@@。之后@@@@，装置温度升高一@@定程度时@@@@，输入的@@能量@@与@@排出的@@能量@@必定一@@致@@。否则温度便会无止境上@@升@@。

热量@@的@@传递有导热@@@@，对流换热@@及辐射换热三种方式@@。在@@终端设备散热@@过程中@@，这三种方式都有发生@@。三种传热方式传递的@@热量@@分别由以下公式计算@@

其中@@λ、α 、ε分别为@@导热@@系数@@，对流换热@@系数及表面@@的@@发射率@@，A是@@

换热面积@@@@。

热设计@@的@@目的@@@@：

采用@@适当@@可靠的@@方法@@控制产品内部所有电子元器件的@@温度@@，使其所处的@@工作环境条件下不超过稳定运行要求的@@最高温度@@，以保证产品正常运行的@@安全性@@，长期运行的@@可靠性@@。

耗散的@@热量@@决定了温升@@@@，因此@@也决定了给定器件的@@温度@@；

热量@@以导热@@@@，对流及辐射传递出去@@，每种形式传递的@@热量@@与@@其热阻@@成反比@@；

热量@@、热阻@@和@@温度是@@设计中的@@重要参数@@。

温升@@：元器件温度与@@环境温度的@@差@@

热耗@@：元器件正常运行时@@产生的@@热量@@@@。热耗@@不等@@同于功耗@@@@。

热流密度@@：单位@@面积@@上@@的@@传热量@@@@，单位@@W/m。l热阻@@：热量@@在@@热流路径上@@遇到@@的@@阻力@@，反映介质或@@介质间的@@传热能力大小@@。

Rja，元器件的@@热源结@@构@@(junction)到@@周围冷却空气@@(ambient)的@@总热阻@@@@。

Rjc，元器件的@@热源结@@到@@封装@@外壳间的@@热阻@@@@@@。

Rjb，元器件的@@结@@与@@@@PCB板@@间的@@热阻@@@@@@。

常见的@@散热@@方式@@：

自然对流换热@@@@

通过@@自然对流的@@方式冷却@@，不必使用风扇@@，主要通过@@空气受热膨胀产生的@@浮升力使空气不断流过发热表面@@@@，实现散热@@@@。这种换热方式不需要任何辅助设备@@，成本低@@。

强迫对流换热@@@@－风扇冷却@@

主要有吹风与@@抽风两种方式@@

为@@什么要关注@@“热设计@@”？

器件极限温度承受能力是@@高压线@@，超过后@@失效率剧增@@，使用中不允许超过@@。在@@极限温度以内@@，器件失效率与@@温度仍然强相关@@，失效率随着温度升高而@@增加@@。

是@@否存在@@一@@个安全温度点@@，只要不超过这个温度点@@，失效率与@@温度就不密切@@？

理论与@@实际表明@@，多数情况下不存在@@这样的@@温度点@@。

1、热量@@传递的@@三种基本方式@@

导热@@

物体各部分之间@@不发生相对位移时@@@@，依靠分子@@、原子及自由电子等@@微观粒子的@@热运动而@@产生的@@热量@@称为@@导热@@@@。例如@@，固体@@内部的@@热量@@传递和@@不同固体@@通过@@接触面的@@热量@@传递都是@@导热@@现象@@。芯片@@向壳体外部传递热量@@主要就是@@通过@@导热@@@@。

导热@@过程中传递的@@热量@@按照@@Fourier导热@@定律计算@@：

傅立叶定律是@@法国著名科学家傅立叶在@@@@1822年提出的@@一@@条热力学定律@@。该定律指在@@导热@@过程中@@，单位@@时@@间内通过@@给定截面的@@导热@@量@@，正比于垂直于该截面方向上@@的@@温度变化率和@@截面面积@@@@，而@@热量@@传递的@@方向则与@@温度升高的@@方向相反@@。

傅立叶定律是@@热传导的@@基础@@。它并不是@@由热力学第一@@定律导出的@@数学表达式@@，而@@是@@基于实验结@@果的@@归纳总结@@@@@@，是@@一@@个经验公式@@。同时@@@@，傅立叶定律是@@定义材料@@的@@@@一@@个关键物性@@，热导率的@@一@@个表达式@@。

另外@@，如上@@所述@@，傅立叶定律是@@一@@个向量表达式@@。热流密度@@是@@垂直于等@@温面的@@@@，并且是@@沿着温度降低的@@方向@@。傅立叶定律适用于所有物质@@，不管它处于什么状态@@（固体@@、液体或@@者气体@@）。

一@@般说@@，固体@@的@@导热@@系数大于液体@@，液体的@@大于气体@@。例如@@：常温下纯铜的@@导热@@系数高达@@400 W/(m*℃），纯铝的@@导热@@系数为@@@@236W/(m*℃），水的@@导热@@系数为@@@@0.6 W/(m*℃），而@@空气仅为@@@@0.025W/(m*℃）左右@@。铝的@@导热@@系数高且密度低@@，所以@@散热@@器基本都采用@@铝合金加工@@，但在@@一@@些@@大功率@@芯片@@散热@@中@@，为@@了提升散热@@性能@@，常采用@@铝散热@@器嵌铜块或@@者铜散热@@器@@。

对流换热@@

对流换热@@是@@指运动着的@@流体流经温度与@@之不同的@@固体@@表面@@时@@与@@固体@@表面@@之间@@发生的@@热量@@交换过程@@，这是@@通信设备散热@@中中应用最广的@@一@@种换热方式@@。根据@@流动的@@起因不同@@，对流换热@@可以分为@@强制对流换热@@和@@自然对流换热@@@@两类@@。前@@者是@@由于@@泵@@、风机或@@其他外部动力源所造成的@@@@，而@@后@@者通常是@@由于@@流体自身温度场的@@不均匀性造成不均匀的@@密度场@@，由此产生的@@浮升力成为@@运动的@@动力@@。机柜中通常采用@@的@@风扇冷却@@散热@@就是@@最典型的@@强制对流换热@@@@。在@@终端产品中主要是@@自然对流换热@@@@@@。自然对流散热@@分为@@大空间自然对流@@（例如@@终端外壳和@@外界空气间的@@换热@@）和@@有限空间自然对流@@（例如@@终端内的@@单板@@和@@终端内的@@空气@@）。值@@得注意的@@是@@@@，当@@终端外壳与@@单板@@的@@距离小于一@@定值@@时@@@@，就无法形成自然对流@@，例如@@手机的@@单板@@与@@外壳之间@@就只是@@以空气为@@介质的@@热传导@@。

对流换热@@的@@热量@@按照牛顿冷却定律计算@@

热辐射@@

塑料外壳表面@@喷漆@@，PWB表面@@会涂敷绿油@@，表面@@黑度都可以达到@@@@0.8，这些都有利于辐射散热@@@@。对于@@金属@@外壳@@，可以进行一@@些@@表面@@处理来提高黑度@@，强化散热@@@@。对辐射散热@@一@@个最大错误认识是@@认为@@黑色可以强化热辐射@@@@，通常散热@@器表面@@黑色处理也助长了这种认识@@。实际上@@物体温度低于@@1800℃时@@，有意义的@@热辐射@@波长位于@@0.38~100μm之间@@，且大部分能量位于红外波段@@0.76~20μm范围内@@，在@@可见光波段内@@，热辐射@@能量比重并不大@@。颜色只与@@可见光吸收相关@@，与@@红外辐射无关@@，夏天人们穿浅色的@@衣服降低太阳光中的@@可见光辐射吸收@@。因此@@终端内部可以随意涂敷各种颜色的@@漆@@。

2、热阻@@的@@概念@@

对导热@@和@@对流换热@@的@@公式进行变换@@：

热量@@传递过程中@@，温度差是@@过程的@@动力@@，好象电学中的@@电压@@，换热量@@是@@被传递的@@量@@，好像电学中的@@电流@@，因而@@上@@式中的@@分母可以用电学中的@@电阻概念来理解成导热@@过程的@@阻力@@，称为@@热阻@@@@（thermal resistance），单位@@为@@@@℃/W, 其物理意义就是@@传递@@1W 的@@热量@@需要多少度温差@@。在@@热设计@@中将热阻@@标记为@@@@R或@@θ。δ/(λA)是@@导热@@热阻@@@@， 1/αA是@@对流换热@@热阻@@@@。器件的@@资料中一@@般都会提供器件的@@@@Rjc和@@Rja热阻@@，Rjc是@@器件的@@结@@到@@壳的@@导热@@热阻@@@@；Rja是@@器件的@@结@@到@@壳导热@@热阻@@和@@壳与@@外界环境的@@对流换热@@热阻@@之和@@@@。这些热阻@@参数@@可以根据@@实验测试获得@@，也可以根据@@详细的@@器件内部结@@构计算得到@@@@。根据@@这些热阻@@参数@@和@@器件的@@热耗@@@@，就可以计算得到@@器件的@@结@@温@@@@。

下图@@形象地表达了欧姆定律@@，类比欧姆定律@@，热差类比于电压@@，热阻@@类比于电阻@@，热耗@@类比于电流@@。

两个名义上@@相接触的@@固体@@表面@@@@，实际上@@接触仅发生在@@一@@些@@离散的@@面积@@元上@@@@，如右图@@所示@@@@，在@@未接触的@@界面之间@@的@@间隙中常充满了空气@@，热量@@将以导热@@和@@辐射的@@方式穿过该间隙层@@，与@@理想中真正完全接触相比@@@@，这种附加的@@热传递阻力称为@@接触热阻@@@@。降低接触热阻@@的@@方法@@主要是@@增加接触压力和@@增加界面材料@@@@（如硅脂@@）填充界面间的@@空气@@。在@@涉及热传导时@@@@，一@@定不能忽视接触热阻@@的@@影响@@@@，需要根据@@应用情况选择合适的@@导热@@界面材料@@@@，如导热@@脂@@、导热@@膜@@、导热@@垫等@@@@。

二@@、器件热特性@@

1、认识器件热阻@@@@

JEDEC芯片@@封装@@的@@@@热性能参数@@@@：

热阻@@参数@@

θja，结@@（即@@芯片@@@@）到@@空气环境的@@热阻@@@@@@：θja=(Tj-Ta)/P

θjc，结@@（即@@芯片@@@@）到@@封装@@外壳的@@热阻@@@@@@：θjc=(Tj-Tc)/P

θjb，结@@（即@@芯片@@@@）到@@PCB的@@热阻@@@@：θjb=(Tj-Tb)/P

热性能参数@@

ψjt，结@@到@@封装@@顶部的@@热参数@@：ψjt =(Tj-Tt)/P

ψjb，结@@到@@封装@@底部的@@热参数@@：ψjb =(Tj-Tb)/P

Tj——芯片@@结@@温@@@@，℃

Ta——空气环境温度@@，℃

Tb——芯片@@根部@@PCB表面@@温度@@，℃

Tt——芯片@@表面@@温度@@@@，℃

θja 热阻@@参数@@是@@封装@@的@@@@品质度量@@(Figure of Merit)，并非@@Application-specific，θja的@@正确的@@应用只能是@@芯片@@封装@@的@@@@热性能品质参数@@（用于性能好坏等@@级的@@比较@@），不能应用于实际测试@@/分析中的@@结@@温@@预计分析@@。从@@90年代起@@，相对于@@@@θja人们更需要对实际工程师预计芯片@@温度有价值@@的@@热参数@@。适应此要求而@@出现三个新参数@@：θjb 、ψjt和@@ψjb 。

ψjb可适当@@的@@运用于热分析中的@@结@@温@@分析@@

ψjt可适当@@运用于实际产品热测试中的@@结@@温@@预计@@。

θjc是@@结@@到@@封装@@表面@@离结@@最近点的@@热阻@@@@值@@@@。

θjc测量中设法使得热流@@“全部@@”由封装@@外壳通过@@@@。

ψjt与@@θjc完全不同@@，并非@@是@@器件的@@热阻@@@@值@@@@，只是@@个数学构造物@@，只是@@结@@@@

到@@TOP的@@热特征参数@@@@，因为@@不是@@所有热量@@都是@@通过@@封装@@顶部散出的@@@@。

实际应用中@@， ψjt对于@@由芯片@@封装@@上@@表面@@测试温度来估计结@@温@@有有限的@@@@

参考价值@@@@。

θjb :用来比较装于板@@上@@表面@@安装芯片@@封装@@热性能的@@品质参数@@(Figure

of Merit)，针对的@@是@@@@2s2p PCB，不适用板@@上@@有不均匀热流的@@芯片@@封装@@@@。

θjb与@@ψjb有本质区别@@， θjb ＞ ψjb 。与@@ψjt同理@@， ψjb为@@结@@到@@@@PCB的@@

热特征参数@@。

不同封装@@的@@@@热特性@@

2、典型器件封装@@散热@@特性@@

普通@@SOP封装@@散热@@性能很差@@，影响@@SOP封装@@散热@@的@@因素@@分外因和@@内因@@，其中@@内因是@@影响@@@@SOP散热@@的@@关键@@。影响@@散热@@的@@外因是@@器件管脚与@@@@PWB的@@传热热阻@@和@@器件上@@表面@@与@@环境的@@对流散热@@热阻@@@@。内因源于@@SOP封装@@本身很高传热热阻@@@@。SOP封装@@散热@@主要通过@@三个途径@@：

1)die的@@热量@@通过@@@@封装@@材料@@@@（mold compound）传导到@@器件上@@表面@@然后@@对流散热@@@@，低导热@@的@@封装@@材料@@影响@@传热@@。

2)die热量@@通过@@@@pad、封装@@材料@@和@@器件底面与@@@@PWB之间@@的@@空气层后@@@@，递到@@@@PWB散热@@，低导热@@的@@封装@@材料@@和@@空气层影响@@传热@@ 。

3)die热量@@通过@@@@lead Frame传递到@@@@@@PWB，lead frame和@@die之间@@是@@极细的@@键合线@@（golden wire），因此@@die和@@leadframe之间@@存在@@很大的@@导热@@热阻@@@@，限制了管脚散热@@@@。

该封装@@的@@@@特点是@@@@die采用@@cavity up方式布置@@，pad从@@封装@@底部外露@@，并焊接@@

在@@PWB表面@@；或@@者在@@@@pad底部粘结@@一@@个金属@@块@@，该金属@@@@块外露于封装@@底部@@，并焊接@@在@@@@PWB表面@@。die的@@热量@@通过@@@@金属@@直接传递到@@@@@@@@PWB上@@，消除了原先的@@封装@@材料@@和@@空气层的@@热阻@@@@@@。

该封装@@相当@@与@@把底部增强散热@@型@@SOP封装@@倒置过来贴装到@@单板@@上@@@@。由于@@裸露在@@芯片@@上@@表面@@的@@@@pad面积@@很小@@，除了起到@@均匀@@die温度的@@作用外@@，实际直接散热@@的@@性能很差@@，一@@般还需要与@@散热@@器结@@合来强化散热@@@@@@。如果芯片@@表面@@不安装散热@@器@@，该金属@@@@pad的@@主要作用是@@把@@die传来的@@热量@@扩展开来@@，再传递给芯片@@内部的@@管脚@@，最后@@通过@@管脚把热量@@传递给@@PWB散热@@，金属@@pad起到@@缩短@@die和@@管脚间传热热阻@@的@@作用@@。

影响@@PBGA Rjc和@@Rja热阻@@的@@因素@@有很多@@，从@@重要程度看依次是@@@@：

1）thermal ball的@@个数@@

2）die的@@尺寸@@

3）substrate的@@结@@构@@，包括铜皮层数@@，铜皮厚度@@@@

4）die attachment 材料@@的@@@@导热@@系数@@

5）gold wire的@@直径@@

6）PWB上@@导热@@过孔@@@@的@@数量@@。

其中@@，前@@5个因素@@与@@器件本身的@@设计相关@@@@，因素@@6与@@PWB设计相关@@

一@@些@@PBGA芯片@@在@@表面@@贴铜块强化散热@@@@@@，由于@@mold的@@导热@@系数很低@@，该金属@@@@封装@@表面@@仍为@@辅助散热@@@@，关键散热@@路径仍在@@封装@@的@@@@底部@@。

需要了解器件内部的@@封装@@结@@构选择散热@@方案@@！

热量@@传递方式@@：

Die的@@热量@@传递给上@@表面@@的@@铜块@@，部分热量@@通过@@@@铜块传递到@@@@@@环境中@@；另外@@部分@@

热量@@通过@@@@铜块依次传递给芯片@@的@@基板@@@@、焊球@@、PCB后@@，通过@@PCB散热@@。

当@@FC－BGA封装@@热耗@@在@@@@1～6W时@@，可以采用@@直接强迫对流散热@@@@，Rja的@@范围在@@@@8～12℃/W；当@@热耗@@在@@@@4～10W时@@，需要加散热@@器强化散热@@@@@@，Rja的@@范围在@@@@5～10℃/W；当@@热耗@@为@@@@8～25W时@@，需要高端的@@散热@@器配合合适的@@风道来进行强化散热@@@@@@。

TO器件的@@散热@@往往需要较大@@的@@的@@铜皮@@，那么对于@@面积@@紧张的@@单板@@如何来实现@@？

按重要程度依次为@@@@：

1）过孔@@

2）单板@@的@@层结@@构@@（地层或@@者电源层的@@位置@@）

3）地层或@@者电源层的@@铜皮厚度@@@@@@

4）焊盘厚度@@@@

对于@@电子设备来说@@，工作时@@都会产生一@@定的@@热量@@@@，从@@而@@使设备内部温度迅速上@@升@@，如果不及时@@将该热量@@散发出去@@，设备就会持续的@@升温@@，器件就会因过热而@@失效@@，电子设备的@@可靠性能就会下降@@。因此@@，对电路板@@进行很好的@@散热@@处理是@@非常重要的@@@@。

加散热@@铜箔和@@采用@@大面积@@电源地铜箔@@。

根据@@上@@图@@@@可以看到@@@@：连接铜皮的@@面积@@越大@@，结@@温@@越低@@

根据@@上@@图@@@@，可以看出@@，覆铜面积@@越大@@，结@@温@@越低@@。

热过孔@@@@

热过孔@@@@能有效的@@降低器件结@@温@@@@，提高单板@@厚度@@方向温度的@@均匀性@@，为@@在@@@@ PCB 背面采取其他散热@@方式提供了可能@@。通过@@仿真发现@@，与@@无热过孔@@@@相比@@@@，在@@器件热功耗@@为@@@@ 2.5W 、间距@@ 1mm 、中心设计@@ 6x6 的@@热过孔@@@@能使结@@温@@降低@@ 4.8°C 左右@@，而@@ PCB 的@@顶面与@@底面的@@温差由原来的@@@@ 21°C 减低到@@@@ 5°C 。热过孔@@@@阵列改为@@@@ 4x4 后@@，器件的@@结@@温@@与@@@@ 6x6 相比@@升高了@@ 2.2°C ，值@@得关注@@。

IC背面露铜@@，减小铜皮与@@空气之间@@的@@热阻@@@@@@

3、单板@@器件的@@散热@@途径@@

好的@@电路板@@板@@散热@@方案必须针对器件的@@散热@@特性进行设计@@

THD器件的@@管脚数量少@@，焊接后@@封装@@也不紧贴单板@@@@，与@@单板@@的@@热关联性很小@@，该类器件的@@热量@@都是@@通过@@器件表面@@散到@@环境中@@。因此@@早期的@@器件散热@@研究@@

比较注重于器件表面@@的@@空气流动@@，以期获得比较高的@@器件表面@@对流换热@@系数@@。

SMD器件集成度高@@，热耗@@也大@@，是@@散热@@关注的@@重点@@。该类器件的@@管脚@@/焊球@@数量多@@，焊接后@@封装@@也紧贴单板@@@@，与@@单板@@建立起紧密的@@换热联系@@，散热@@方案必须从@@单板@@整体散热@@的@@角度进行分析@@。SMD器件针对散热@@需求也出现了多种强化散热@@@@的@@封装@@@@，这些封装@@的@@@@种类繁多@@，但从@@散热@@角度进行归纳分类@@，以引脚封装@@和@@焊球@@封装@@最为@@典型@@，其它封装@@的@@@@散热@@特性可以参考这两种类推@@。

PGA类的@@针状管脚器件基本忽略单板@@散热@@@@，以表面@@散热@@为@@主@@，例如@@CPU等@@。

热设计@@

表面@@贴装的@@散热@@面积@@估算和@@注意事项@@

judy — Thu, 25 Aug 2022 07:43:58 +0000

电子设备中半导体元器件的@@热设计@@@@

本文的@@关键要点@@
・如果将会发热的@@@@IC安装得过于密集@@，就会发生热干扰并导致温度升高@@。
・根据@@所容许的@@最大@@TJ求得所需的@@@@θJA，并估算其所需的@@散热@@面积@@@@。

到@@目前@@为@@止@@，我们已经介绍过使用热阻@@和@@热特性参数来估算@@TJ的@@方法@@。本文将介绍在@@表面@@贴装应用中@@@@，如何估算散热@@面积@@以确保符合@@TJ max，以及与@@热相关的@@元器件布局@@@@注意事项@@。

元器件配置与@@热干扰@@

随着近年来对小型化@@的@@需求日益高涨@@，对电路板@@也提出了要尽可能小的@@要求@@，使元器件的@@安装密度趋于增高@@。但是@@@@，对于@@发热的@@元器件来说@@（在@@这里是@@指@@IC），需要将电路板@@当@@作散热@@器@@，因此@@也就需要一@@定的@@面积@@来散热@@@@。如果不能确保相应的@@面积@@@@，就会导致热阻@@升高@@，发热量@@增加@@。此外@@，如果发热的@@@@IC彼此靠近安装@@，它们产生的@@热量@@会相互干扰并导致温度升高@@。

下图@@就是@@表面@@贴装@@IC的@@散热@@路径和@@发热@@IC密集安装时@@的@@散热@@情况示意图@@@@。

IC产生的@@热量@@沿水平方向@@（面积@@）和@@垂直方向@@（电路板@@厚度@@@@）传导并消散@@。但是@@@@如果将@@IC安装得很密集@@，特别是@@水平方向的@@热量@@会互相干扰@@，热量@@很难散发出来@@，因此@@最终会导致温度升高@@。

散热@@所需的@@电路板@@面积@@估算@@

在@@表面@@贴装应用中@@，为@@了获得@@IC能够确保符合@@TJ max的@@热阻@@@@，就需要有与@@其相应的@@散热@@面积@@@@。此外@@，避免热干扰也很重要@@。下图@@是@@防止热干扰所需的@@间距@@示意图@@@@。至@@少在@@满足这一@@点后@@@@，再根据@@@@θJA与@@铜箔面积@@的@@关系图@@估算所需的@@散热@@面积@@@@。

如图@@所示@@@@，至@@少需要@@IC端面到@@板@@面的@@@@45°直线不干涉的@@间距@@@@。接下来@@，求使用条件下所需的@@@@θJA。

条件示例@@：IC功耗@@=1W，最高环境温度@@TA(HT)＝85℃，最大容许@@TJ值@@＝140℃。

就是@@这样通过@@确保避免热干扰的@@间隔和@@所需的@@散热@@面积@@@@，来考虑最终的@@@@IC布局@@。

文章来源@@：罗姆半导体@@集团@@

成功实现功率@@器件@@热设计@@的@@@@4大步骤@@@@

judy — Wed, 20 Apr 2022 06:04:08 +0000

铁路@@、汽车@@、基础设施@@、家电等@@电力电子一@@直在@@与@@我们息息相关的@@生活中支持着我们@@。为@@节省能源和@@降低含碳量@@（实现脱碳@@），需要高度高效的@@电力电子技术@@。IGBT、SiC、GaN 等@@次时@@代功率@@器件@@的@@存在@@是@@实现这一@@目标的@@重要一@@环@@，但一@@旦使用不当@@则会导致意想不到@@的@@不良或@@降低可靠性@@，严重时@@可能会因为@@市场不良导致召回@@。其中@@尤为@@重要的@@是@@直接影响@@可靠性的@@热设计@@@@。一@@旦发生问题@@，则可能会需要重新进行器件选型@@，修改基板@@布局@@@@，重新进行散热@@设计@@等@@@@，从@@而@@导致返工工时@@以及成本的@@增加@@。为@@此@@，罗姆准备了一@@系列的@@应用笔记@@，汇总了与@@热设计@@相关@@的@@信息@@，将有助于提高设备可靠性@@，减少设计返工@@。本白皮书将介绍其中@@的@@部分应用笔记@@。

应用笔记是@@汇总了用户开发流程各阶段所需的@@技术信息的@@文档@@，从@@基础到@@实践性内容全方位支持客户@@。在@@此@@，将分@@ 4 大步骤@@@@介绍为@@成功进行热设计@@所准备的@@应用笔记@@。
步骤@@ 1 学习热设计@@的@@基础@@
步骤@@ 2 了解所使用元器件的@@热特性@@
步骤@@ 3 活用热仿真@@
步骤@@ 4 正确进行热测量@@

成功实现功率@@器件@@热设计@@的@@@@4大步骤@@@@

高集成度功率@@电路@@的@@热设计@@挑战@@

judy — Mon, 18 Apr 2022 06:43:16 +0000

作者@@：殷汉杰@@，英飞凌工业半导体@@

前@@言@@

目前@@随着科学技术和@@制造工艺的@@不断发展进步@@，半导体技术的@@发展日新月异@@。对于@@功率@@半导体器件而@@言@@，其制造工艺也同样是@@从@@平面工艺演变到@@沟槽工艺@@，功率@@密度越来越高@@。目前@@功率@@半导体器件不仅是@@单一@@的@@开关型器件如@@IGBT或@@MOSFET器件类型@@，也增加了如智能功率@@模块@@@@IPM等@@混合型功率@@器件@@类型@@@@。在@@IPM模块@@中既集成有功率@@器件@@@@，还集成了驱动器和@@控制电路@@IC，这样的@@功率@@半导体器件具有更高的@@集成度@@。这种混合集成型的@@功率@@半导体器件其封装@@结@@构和@@传统的@@单一@@功率@@半导体器件有一@@定的@@区别@@，因此@@其散热@@设计@@和@@热传播方式也有别于传统的@@功率@@半导体器件@@，会给使用者带来更大的@@热设计@@挑战@@。本文以英飞凌的@@@@CIPOS™ Nano IPM模块@@IMM100系列为@@例说明英飞凌创新型@@PQFN封装@@器件的@@热传播模型@@，并结@@合不同撒热条件下散热@@结@@果对比分析@@，给出@@PQFN封装@@在@@应用中的@@散热@@建议和@@器件钢网@@设计以及回流焊接温度参考曲线@@，以此希望可以给使用者提供此类器件的@@应用参考作用@@。

PQFN封装@@热传播模型@@

CIPOS™ Nano IPM模块@@IMM100系列采用@@英飞凌创新设计@@PQFN封装@@，在@@单个封装@@内集成了三相逆变电路@@、驱动电路和@@控制器@@MCU。其封装@@尺寸为@@@@12mm×12mm，厚度@@仅为@@@@0.9mm。图@@1为@@PQFN封装@@的@@@@IPM模块@@刨面图@@@@@@，从@@图@@@@1中可以看到@@三相逆变器@@MOSFET的@@漏极直接作为@@@@PQFN封装@@的@@@@管脚@@，其具有很小的@@热阻@@@@@@，使功率@@@@MOSFET产生的@@热量@@能够快速传递到@@@@@@@@PCB板@@焊盘铜皮@@。

图@@1.PQFN封装@@IPM刨面图@@@@

图@@2.PQFN封装@@IPM模块@@的@@底面图@@@@

图@@2是@@PQFN封装@@IPM模块@@的@@底面图@@@@。V+，Vs1， Vs2和@@Vs3是@@功率@@@@MOSFET主要散热@@途径@@，V-是@@IPM集成的@@驱动和@@控制芯片@@的@@主要散热@@途径@@@@。

图@@3.PQFN封装@@IPM模块@@焊接于@@PCB上@@的@@热传播示意图@@@@

图@@4.PQFN封装@@IPM模块@@热阻@@模型@@

图@@3给出@@了@@PQFN封装@@IPM模块@@焊接于@@PCB板@@上@@的@@热传播示意图@@@@@@，从@@图@@@@中可以看到@@@@IPM模块@@产生的@@热量@@主要传播途径是@@通过@@@@PCB板@@和@@铜皮进行传导@@，仅有很小部分的@@热量@@从@@@@IPM模块@@顶部传导到@@空气中@@。其原因是@@由于@@@@IPM模块@@的@@特殊封装@@结@@构@@，功率@@MOSFET芯片@@固定于金属@@框架上@@@@，金属@@框架底面直接作为@@@@IPM模块@@的@@管脚焊接于@@PCB的@@表贴焊盘上@@@@，因此@@从@@芯片@@到@@@@PCB板@@焊盘之间@@的@@热阻@@@@@@Rth(j-CB)比较小@@。相对应地从@@芯片@@到@@@@IPM顶部为@@塑封材料@@@@，其热阻@@相对较大@@@@，因此@@从@@芯片@@到@@@@壳的@@热阻@@@@@@Rth(j-CT)+相比@@Rth(j-CB)较大@@。

图@@4是@@PQFN封装@@IPM模块@@的@@热阻@@@@模型@@。根据@@前@@面分析@@IPM模块@@耗散的@@热量@@主要通过@@@@PCB板@@和@@铜皮传播@@，因此@@热耗@@散功率@@@@@@PD,B远大于@@PD,T，热耗@@散功率@@@@PD,T对于@@IPM温升@@的@@影响@@相对于@@@@@@PD,B来说可以忽略不计@@。

即@@PD,B>>PD,T，PD,T X Rth(j-CT)≈0

因此@@根据@@@@Rth(j-c)=(Tj-Tc)/PD，

可以得出@@Tj≈TC

也就是@@说可以粗略地认为@@@@IPM的@@壳温近似等@@于结@@温@@@@。根据@@此结@@论在@@实际应用中@@可以方便的@@估算大概的@@@@IPM结@@温@@，以此判断@@IPM是@@否工作于安全工作区@@。需要注意的@@是@@根据@@此结@@论估算出来的@@结@@温@@只是@@一@@个近似值@@@@，不是@@严格意义上@@的@@精确结@@温@@@@。

PQFN封装@@四种不同散热@@形式对比测试分析@@

根据@@PQFN封装@@的@@@@特点和@@实际应用场合@@，在@@实验室中采用@@四种不同应用场景进行热性能对比测试@@。第一@@种应用场景是@@采用@@常规@@FR-4材料@@PCB板@@（1.6mm厚度@@，双层板@@@@），IPM模块@@依赖@@PCB散热@@，无任何外加散热@@措施@@；第二@@种是@@在@@第一@@种应用场景基础上@@用一@@个@@9X9X5mm的@@小铝型材散热@@器粘贴在@@@@IPM模块@@的@@顶部辅助散热@@@@；第三种应用场景是@@在@@第一@@种基础上@@采用@@附加风扇强制风冷@@，风扇为@@@@12VDC/0.11A；第四种应用场景是@@用铝基板@@代替@@FR-4材质@@PCB板@@，铝基板@@厚度@@为@@@@1.6mm，铜皮为@@@@1oz。图@@5为@@四种不同应用场景的@@实物电路板@@示意图@@@@@@。

图@@5.四种不同应用场景的@@实物电路板@@示意图@@@@

基于上@@述四种不同应用场景@@，在@@实验室中对@@IMM101T-046M的@@输出相电流和@@其壳温进行了测试@@。测试时@@逆变器载频是@@@@10kHz，直流母线电压为@@@@300V。相应的@@根据@@所测数据绘制@@IPM输出相电流和@@相对壳温的@@关系曲线如图@@@@6所示@@。

从@@测试数据可以看出@@同样使用@@FR4材料@@的@@@@PCB板@@焊装此种@@PQFN封装@@的@@@@IPM模块@@时@@@@，额外增加顶部的@@散热@@器或@@冷却风扇也会对降低@@IPM壳温有很大帮助@@。虽然前@@文说明@@PQFN封装@@产生的@@热量@@主要从@@@@PCB板@@和@@铜皮传导出去@@，但是@@@@由于@@@@PQFN封装@@的@@@@IPM模块@@厚度@@仅为@@@@@@0.9mm，IPM顶部表面@@到@@硅片之间@@塑封材料@@厚度@@比较薄@@，根据@@前@@面结@@论可以近似认为@@@@IPM壳温和@@结@@温@@相同@@，因此@@当@@@@IPM顶部用散热@@器降温时@@也会对硅片温度有较明显的@@降低作用@@。当@@用冷却风扇降温时@@@@，在@@降低壳温同时@@@@也会降低@@IPM模块@@附近的@@铜皮温度@@，这样使@@IPM产生的@@热量@@更加迅速地从@@焊盘到@@铜皮传导出去@@，进一@@步降低硅片温度@@。

对比应用场景@@1和@@4的@@测试数据可以看出@@无任何额外附加散热@@措施时@@@@，在@@大致相同的@@@@IPM温升@@条件下@@，使用铝基板@@时@@@@@@IPM的@@输出电流能力大约增大一@@倍@@。在@@某些结@@构体积比较紧凑的@@应用场合可以增大@@IPM的@@应用功率@@密度@@。

图@@6.IPM输出相电流和@@相对壳温升@@的@@关系曲线@@

图@@7是@@在@@四种不同应用场景下测试时@@的@@红外温度图@@@@@@，在@@相同的@@@@300V直流母线电压和@@@@10kHz载频下测试所得@@。

图@@7.四种不同应用场景下测试时@@的@@红外温度图@@@@

PQFN封装@@钢网@@设计和@@回流焊接温度曲线建议@@

PQFN器件为@@表贴封装@@@@，因为@@其主要依赖表贴管脚通过@@@@PCB和@@铜皮散热@@@@，所以@@PQFN一@@些@@主要散热@@管脚的@@面积@@比较大@@@@，相应地在@@@@PCB板@@上@@的@@焊盘面积@@也比较大@@@@。这样会引起在@@回流焊接时@@大面积@@焊盘不可避免的@@出现空洞@@，过大比例的@@空洞会增加器件管脚和@@焊盘之间@@的@@热阻@@@@@@，降低热传导性能@@。在@@实际的@@批量焊接时@@一@@般要求焊接空洞率小于@@25%即@@可确保热阻@@性能要求@@。对于@@PCB焊盘设计时@@采取一@@些@@优化措施可以从@@设计的@@角度降低焊接空洞率@@，改善焊接质量@@。

措施一@@是@@把大焊盘的@@钢网@@分割成小块@@；

措施二@@是@@在@@分割成小块的@@钢网@@交叉空隙处放置@@0.3mm直径的@@过孔@@@@；

措施三是@@推荐使用@@0.127mm厚度@@的@@钢网@@@@，不推荐使用钢网@@厚度@@小于@@0.1mm或@@大于@@0.15mm。

图@@8是@@大焊盘钢网@@被分割成小块的@@示意图@@@@。通过@@采取以上@@几种设计改善措施@@，实际制作@@PCB并焊接@@PQFN器件后@@经过@@X光拍照统计焊接空洞率比较低@@。实验测试空洞率大约在@@@@15%左右@@。图@@9是@@推荐的@@@@@@PCB库@@188足彩外围@@app 设计图@@@@。图@@10给出@@了@@推荐的@@@@回流焊接温度曲线@@@@。基于此推荐焊接温度曲线@@，用户可以结@@合自己所用焊锡膏和@@焊接工艺流程调整焊接设备参数以便获得较低的@@焊接空洞率@@，改善焊接质量@@。

图@@8.大焊盘钢网@@分割成小块@@

图@@9.推荐的@@@@IMM101T系列器件@@PCB库@@188足彩外围@@app

图@@10.推荐的@@@@回流焊接温度曲线@@

总结@@@@

通过@@上@@述测试结@@果和@@分析说明可以看出@@对于@@这种创新型的@@@@PQFN封装@@形式的@@@@IPM模块@@在@@实际应用中@@和@@通用器件有一@@定的@@不同@@，由于@@其采用@@@@PCB和@@铜皮作为@@主要的@@散热@@方式@@，并且具有很小的@@封装@@尺寸@@，因此@@这种@@PQFN封装@@的@@@@IPM模块@@可以被应用于结@@构体积较小的@@应用场合中@@，比如像吹风机@@，空调室内机风扇@@，吊扇等@@应用@@。如果再采用@@额外附加的@@散热@@措施@@，如顶部粘贴散热@@器或@@采用@@冷却风扇都可以增加模块@@的@@电流输出能力@@，扩大@@PQFN封装@@IPM模块@@的@@应用功率@@范围@@。当@@采用@@铝基板@@代替@@FR-4材料@@PCB板@@时@@@@，IPM模块@@的@@电流输出能力可以增加大约一@@倍@@。