一文帶你了解熱設(shè)計(jì)

一、基礎(chǔ)知識(shí)

100J的能量可使100g水的溫度升高約0.24℃。這并不是通過(guò)升高水的溫度消耗了100J的能量。而是在水中作為熱能保存了起來(lái)。

能量既不會(huì)憑空消失，也絕不會(huì)憑空產(chǎn)生。這就是最重要“能量守恒定律”。

℃是溫度單位。溫度是指像能量密度一樣的物理量。它只不過(guò)是根據(jù)能量的多少表現(xiàn)出來(lái)的一種現(xiàn)象。即使能量相同，如果集中在一個(gè)狹窄的空間內(nèi)，溫度就會(huì)升高，而大范圍分散時(shí)，溫度就會(huì)降低。

電子產(chǎn)品接通電源后一段時(shí)間內(nèi)，多半轉(zhuǎn)換的熱能會(huì)被用于提高裝置自身的溫度，而排出的能量?jī)H為少數(shù)。之后，裝置溫度升高一定程度時(shí)，輸入的能量與排出的能量必定一致。否則溫度便會(huì)無(wú)止境上升。

熱量的傳遞有導(dǎo)熱，對(duì)流換熱及輻射換熱三種方式。在終端設(shè)備散熱過(guò)程中，這三種方式都有發(fā)生。三種傳熱方式傳遞的熱量分別由以下公式計(jì)算

其中λ、α 、ε分別為導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)流換熱系數(shù)及表面的發(fā)射率，A是

換熱面積。

熱設(shè)計(jì)的目的：

采用適當(dāng)可靠的方法控制產(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其所處的工作環(huán)境條件下不超過(guò)穩(wěn)定運(yùn)行要求的最高溫度，以保證產(chǎn)品正常運(yùn)行的安全性，長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。

耗散的熱量決定了溫升，因此也決定了給定器件的溫度；

熱量以導(dǎo)熱，對(duì)流及輻射傳遞出去，每種形式傳遞的熱量與其熱阻成反比；

熱量、熱阻和溫度是設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。

溫升：元器件溫度與環(huán)境溫度的差

熱耗：元器件正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量。熱耗不等同于功耗。

熱流密度：?jiǎn)挝幻娣e上的傳熱量，單位W/m。l熱阻：熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力大小。

Rja，元器件的熱源結(jié)構(gòu)(junction)到周圍冷卻空氣(ambient)的總熱阻。

Rjc，元器件的熱源結(jié)到封裝外殼間的熱阻。

Rjb，元器件的結(jié)與PCB板間的熱阻。

常見(jiàn)的散熱方式：

自然對(duì)流換熱

通過(guò)自然對(duì)流的方式冷卻，不必使用風(fēng)扇，主要通過(guò)空氣受熱膨脹產(chǎn)生的浮升力使空氣不斷流過(guò)發(fā)熱表面，實(shí)現(xiàn)散熱。這種換熱方式不需要任何輔助設(shè)備，成本低。

強(qiáng)迫對(duì)流換熱－風(fēng)扇冷卻

主要有吹風(fēng)與抽風(fēng)兩種方式

為什么要關(guān)注“熱設(shè)計(jì)”？

器件極限溫度承受能力是高壓線，超過(guò)后失效率劇增，使用中不允許超過(guò)。在極限溫度以內(nèi)，器件失效率與溫度仍然強(qiáng)相關(guān)，失效率隨著溫度升高而增加。

是否存在一個(gè)安全溫度點(diǎn)，只要不超過(guò)這個(gè)溫度點(diǎn)，失效率與溫度就不密切？

理論與實(shí)際表明，多數(shù)情況下不存在這樣的溫度點(diǎn)。

1、熱量傳遞的三種基本方式

導(dǎo)熱

物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量稱為導(dǎo)熱。例如，固體內(nèi)部的熱量傳遞和不同固體通過(guò)接觸面的熱量傳遞都是導(dǎo)熱現(xiàn)象。芯片向殼體外部傳遞熱量主要就是通過(guò)導(dǎo)熱。

導(dǎo)熱過(guò)程中傳遞的熱量按照Fourier導(dǎo)熱定律計(jì)算：

傅立葉定律是法國(guó)著名科學(xué)家傅立葉在1822年提出的一條熱力學(xué)定律。該定律指在導(dǎo)熱過(guò)程中，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)給定截面的導(dǎo)熱量，正比于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。

傅立葉定律是熱傳導(dǎo)的基礎(chǔ)。它并不是由熱力學(xué)第一定律導(dǎo)出的數(shù)學(xué)表達(dá)式，而是基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的歸納總結(jié)，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。同時(shí)，傅立葉定律是定義材料的一個(gè)關(guān)鍵物性，熱導(dǎo)率的一個(gè)表達(dá)式。

另外，如上所述，傅立葉定律是一個(gè)向量表達(dá)式。熱流密度是垂直于等溫面的，并且是沿著溫度降低的方向。傅立葉定律適用于所有物質(zhì)，不管它處于什么狀態(tài)（固體、液體或者氣體）。

一般說(shuō)，固體的導(dǎo)熱系數(shù)大于液體，液體的大于氣體。例如：常溫下純銅的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)400 W/(m*℃） ，純鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為236W/(m*℃），水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.6 W/(m*℃），而空氣僅為0.025W/(m*℃）左右。鋁的導(dǎo)熱系數(shù)高且密度低，所以散熱器基本都采用鋁合金加工，但在一些大功率芯片散熱中，為了提升散熱性能，常采用鋁散熱器嵌銅塊或者銅散熱器。

對(duì)流換熱

對(duì)流換熱是指運(yùn)動(dòng)著的流體流經(jīng)溫度與之不同的固體表面時(shí)與固體表面之間發(fā)生的熱量交換過(guò)程，這是通信設(shè)備散熱中中應(yīng)用最廣的一種換熱方式。根據(jù)流動(dòng)的起因不同，對(duì)流換熱可以分為強(qiáng)制對(duì)流換熱和自然對(duì)流換熱兩類。前者是由于泵、風(fēng)機(jī)或其他外部動(dòng)力源所造成的，而后者通常是由于流體自身溫度場(chǎng)的不均勻性造成不均勻的密度場(chǎng)，由此產(chǎn)生的浮升力成為運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。機(jī)柜中通常采用的風(fēng)扇冷卻散熱就是最典型的強(qiáng)制對(duì)流換熱。在終端產(chǎn)品中主要是自然對(duì)流換熱。自然對(duì)流散熱分為大空間自然對(duì)流（例如終端外殼和外界空氣間的換熱）和有限空間自然對(duì)流（例如終端內(nèi)的單板和終端內(nèi)的空氣）。值得注意的是，當(dāng)終端外殼與單板的距離小于一定值時(shí)，就無(wú)法形成自然對(duì)流，例如手機(jī)的單板與外殼之間就只是以空氣為介質(zhì)的熱傳導(dǎo)。

對(duì)流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計(jì)算

熱輻射

塑料外殼表面噴漆，PWB表面會(huì)涂敷綠油，表面黑度都可以達(dá)到0.8，這些都有利于輻射散熱。對(duì)于金屬外殼，可以進(jìn)行一些表面處理來(lái)提高黑度，強(qiáng)化散熱。對(duì)輻射散熱一個(gè)最大錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)是認(rèn)為黑色可以強(qiáng)化熱輻射，通常散熱器表面黑色處理也助長(zhǎng)了這種認(rèn)識(shí)。實(shí)際上物體溫度低于1800℃時(shí)，有意義的熱輻射波長(zhǎng)位于0.38~100μm之間，且大部分能量位于紅外波段0.76~20μm范圍內(nèi)，在可見(jiàn)光波段內(nèi)，熱輻射能量比重并不大。顏色只與可見(jiàn)光吸收相關(guān)，與紅外輻射無(wú)關(guān)，夏天人們穿淺色的衣服降低太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光輻射吸收。因此終端內(nèi)部可以隨意涂敷各種顏色的漆。

2、熱阻的概念

對(duì)導(dǎo)熱和對(duì)流換熱的公式進(jìn)行變換：

熱量傳遞過(guò)程中，溫度差是過(guò)程的動(dòng)力，好象電學(xué)中的電壓，換熱量是被傳遞的量，好像電學(xué)中的電流，因而上式中的分母可以用電學(xué)中的電阻概念來(lái)理解成導(dǎo)熱過(guò)程的阻力，稱為熱阻（thermal resistance），單位為℃/W, 其物理意義就是傳遞1W 的熱量需要多少度溫差。在熱設(shè)計(jì)中將熱阻標(biāo)記為R或θ。δ/(λA)是導(dǎo)熱熱阻， 1/αA是對(duì)流換熱熱阻。器件的資料中一般都會(huì)提供器件的Rjc和Rja熱阻，Rjc是器件的結(jié)到殼的導(dǎo)熱熱阻；Rja是器件的結(jié)到殼導(dǎo)熱熱阻和殼與外界環(huán)境的對(duì)流換熱熱阻之和。這些熱阻參數(shù)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得，也可以根據(jù)詳細(xì)的器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)計(jì)算得到。根據(jù)這些熱阻參數(shù)和器件的熱耗，就可以計(jì)算得到器件的結(jié)溫。

下圖形象地表達(dá)了歐姆定律，類比歐姆定律，熱差類比于電壓，熱阻類比于電阻，熱耗類比于電流。

兩個(gè)名義上相接觸的固體表面，實(shí)際上接觸僅發(fā)生在一些離散的面積元上，如右圖所示，在未接觸的界面之間的間隙中常充滿了空氣，熱量將以導(dǎo)熱和輻射的方式穿過(guò)該間隙層，與理想中真正完全接觸相比，這種附加的熱傳遞阻力稱為接觸熱阻。降低接觸熱阻的方法主要是增加接觸壓力和增加界面材料（如硅脂）填充界面間的空氣。在涉及熱傳導(dǎo)時(shí)，一定不能忽視接觸熱阻的影響，需要根據(jù)應(yīng)用情況選擇合適的導(dǎo)熱界面材料，如導(dǎo)熱脂、導(dǎo)熱膜、導(dǎo)熱墊等。

二、器件熱特性

1、認(rèn)識(shí)器件熱阻

JEDEC芯片封裝的熱性能參數(shù)：

熱阻參數(shù)

θja，結(jié)（即芯片）到空氣環(huán)境的熱阻：θja=(Tj-Ta)/P

θjc，結(jié)（即芯片）到封裝外殼的熱阻：θjc=(Tj-Tc)/P

θjb，結(jié)（即芯片）到PCB的熱阻：θjb=(Tj-Tb)/P

熱性能參數(shù)

ψjt，結(jié)到封裝頂部的熱參數(shù)：ψjt =(Tj-Tt)/P

ψjb，結(jié)到封裝底部的熱參數(shù)：ψjb =(Tj-Tb)/P

Tj——芯片結(jié)溫，℃

Ta——空氣環(huán)境溫度，℃

Tb——芯片根部PCB表面溫度，℃

Tt——芯片表面溫度，℃

θja 熱阻參數(shù)是封裝的品質(zhì)度量(Figure of Merit)，并非Application-specific，θja的正確的應(yīng)用只能是芯片封裝的熱性能品質(zhì)參數(shù)（用于性能好壞等級(jí)的比較），不能應(yīng)用于實(shí)際測(cè)試/分析中的結(jié)溫預(yù)計(jì)分析。從90年代起，相對(duì)于θja人們更需要對(duì)實(shí)際工程師預(yù)計(jì)芯片溫度有價(jià)值的熱參數(shù)。適應(yīng)此要求而出現(xiàn)三個(gè)新參數(shù)：θjb 、ψjt和ψjb 。

ψjb可適當(dāng)?shù)倪\(yùn)用于熱分析中的結(jié)溫分析

ψjt可適當(dāng)運(yùn)用于實(shí)際產(chǎn)品熱測(cè)試中的結(jié)溫預(yù)計(jì)。

θjc是結(jié)到封裝表面離結(jié)最近點(diǎn)的熱阻值。

θjc測(cè)量中設(shè)法使得熱流“全部”由封裝外殼通過(guò)。

ψjt與θjc完全不同，并非是器件的熱阻值，只是個(gè)數(shù)學(xué)構(gòu)造物，只是結(jié)

到TOP的熱特征參數(shù)，因?yàn)椴皇撬袩崃慷际峭ㄟ^(guò)封裝頂部散出的。

實(shí)際應(yīng)用中， ψjt對(duì)于由芯片封裝上表面測(cè)試溫度來(lái)估計(jì)結(jié)溫有有限的

參考價(jià)值。

θjb :用來(lái)比較裝于板上表面安裝芯片封裝熱性能的品質(zhì)參數(shù)(Figure

of Merit)，針對(duì)的是2s2p PCB，不適用板上有不均勻熱流的芯片封裝。

θjb與ψjb有本質(zhì)區(qū)別， θjb ＞ ψjb 。與ψjt同理， ψjb為結(jié)到PCB的

熱特征參數(shù)。

不同封裝的熱特性

2、典型器件封裝散熱特性

普通SOP封裝散熱性能很差，影響SOP封裝散熱的因素分外因和內(nèi)因，其中內(nèi)因是影響SOP散熱的關(guān)鍵。影響散熱的外因是器件管腳與PWB的傳熱熱阻和器件上表面與環(huán)境的對(duì)流散熱熱阻。內(nèi)因源于SOP封裝本身很高傳熱熱阻。SOP封裝散熱主要通過(guò)三個(gè)途徑：

1)die的熱量通過(guò)封裝材料（mold compound）傳導(dǎo)到器件上表面然后對(duì)流散熱，低導(dǎo)熱的封裝材料影響傳熱。

2)die熱量通過(guò)pad、封裝材料和器件底面與PWB之間的空氣層后，遞到PWB散熱，低導(dǎo)熱的封裝材料和空氣層影響傳熱 。

3)die熱量通過(guò)lead Frame傳遞到PWB，lead frame和die之間是極細(xì)的鍵合線（golden wire），因此die和leadframe之間存在很大的導(dǎo)熱熱阻，限制了管腳散熱。

該封裝的特點(diǎn)是die采用cavity up方式布置，pad從封裝底部外露，并焊接

在PWB表面；或者在pad底部粘結(jié)一個(gè)金屬塊，該金屬塊外露于封裝底部，并焊接在PWB表面。die的熱量通過(guò)金屬直接傳遞到PWB上，消除了原先的封裝材料和空氣層的熱阻。

該封裝相當(dāng)與把底部增強(qiáng)散熱型SOP封裝倒置過(guò)來(lái)貼裝到單板上。由于裸露在芯片上表面的pad面積很小，除了起到均勻die溫度的作用外，實(shí)際直接散熱的性能很差，一般還需要與散熱器結(jié)合來(lái)強(qiáng)化散熱。如果芯片表面不安裝散熱器，該金屬pad的主要作用是把die傳來(lái)的熱量擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，再傳遞給芯片內(nèi)部的管腳，最后通過(guò)管腳把熱量傳遞給PWB散熱，金屬pad起到縮短die和管腳間傳熱熱阻的作用。

影響PBGA Rjc和Rja熱阻的因素有很多，從重要程度看依次是：

1）thermal ball的個(gè)數(shù)

2）die的尺寸

3）substrate的結(jié)構(gòu)，包括銅皮層數(shù)，銅皮厚度

4）die attachment 材料的導(dǎo)熱系數(shù)

5）gold wire的直徑

6）PWB上導(dǎo)熱過(guò)孔的數(shù)量。

其中，前5個(gè)因素與器件本身的設(shè)計(jì)相關(guān)，因素6與PWB設(shè)計(jì)相關(guān)

一些PBGA芯片在表面貼銅塊強(qiáng)化散熱，由于mold的導(dǎo)熱系數(shù)很低，該金屬封裝表面仍為輔助散熱，關(guān)鍵散熱路徑仍在封裝的底部。

需要了解器件內(nèi)部的封裝結(jié)構(gòu)選擇散熱方案！

熱量傳遞方式：

Die的熱量傳遞給上表面的銅塊，部分熱量通過(guò)銅塊傳遞到環(huán)境中；另外部分

熱量通過(guò)銅塊依次傳遞給芯片的基板、焊球、PCB后，通過(guò)PCB散熱。

當(dāng)FC－BGA封裝熱耗在1～6W時(shí)，可以采用直接強(qiáng)迫對(duì)流散熱，Rja的范圍在8～12℃/W；當(dāng)熱耗在4～10W時(shí)，需要加散熱器強(qiáng)化散熱，Rja的范圍在5～10℃/W；當(dāng)熱耗為8～25W時(shí)，需要高端的散熱器配合合適的風(fēng)道來(lái)進(jìn)行強(qiáng)化散熱。

TO器件的散熱往往需要較大的的銅皮，那么對(duì)于面積緊張的單板如何來(lái)實(shí)現(xiàn)？

按重要程度依次為：

1）過(guò)孔

2）單板的層結(jié)構(gòu)（地層或者電源層的位置）

3）地層或者電源層的銅皮厚度

4）焊盤(pán)厚度

對(duì)于電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，從而使設(shè)備內(nèi)部溫度迅速上升，如果不及時(shí)將該熱量散發(fā)出去，設(shè)備就會(huì)持續(xù)的升溫，器件就會(huì)因過(guò)熱而失效，電子設(shè)備的可靠性能就會(huì)下降。因此，對(duì)電路板進(jìn)行很好的散熱處理是非常重要的。

加散熱銅箔和采用大面積電源地銅箔。

根據(jù)上圖可以看到：連接銅皮的面積越大，結(jié)溫越低

根據(jù)上圖，可以看出，覆銅面積越大，結(jié)溫越低。

熱過(guò)孔

熱過(guò)孔能有效的降低器件結(jié)溫，提高單板厚度方向溫度的均勻性，為在 PCB 背面采取其他散熱方式提供了可能。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，與無(wú)熱過(guò)孔相比，在器件熱功耗為 2.5W 、間距 1mm 、中心設(shè)計(jì) 6x6 的熱過(guò)孔能使結(jié)溫降低 4.8°C 左右，而 PCB 的頂面與底面的溫差由原來(lái)的 21°C 減低到 5°C 。熱過(guò)孔陣列改為 4x4 后，器件的結(jié)溫與 6x6 相比升高了 2.2°C ，值得關(guān)注。

IC背面露銅，減小銅皮與空氣之間的熱阻

3、單板器件的散熱途徑

好的電路板板散熱方案必須針對(duì)器件的散熱特性進(jìn)行設(shè)計(jì)

THD器件的管腳數(shù)量少，焊接后封裝也不緊貼單板，與單板的熱關(guān)聯(lián)性很小，該類器件的熱量都是通過(guò)器件表面散到環(huán)境中。因此早期的器件散熱研究

比較注重于器件表面的空氣流動(dòng)，以期獲得比較高的器件表面對(duì)流換熱系數(shù)。

SMD器件集成度高，熱耗也大，是散熱關(guān)注的重點(diǎn)。該類器件的管腳/焊球數(shù)量多，焊接后封裝也緊貼單板，與單板建立起緊密的換熱聯(lián)系，散熱方案必須從單板整體散熱的角度進(jìn)行分析。SMD器件針對(duì)散熱需求也出現(xiàn)了多種強(qiáng)化散熱的封裝，這些封裝的種類繁多，但從散熱角度進(jìn)行歸納分類，以引腳封裝和焊球封裝最為典型，其它封裝的散熱特性可以參考這兩種類推。

PGA類的針狀管腳器件基本忽略單板散熱，以表面散熱為主，例如CPU等。

審核編輯 黃宇