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2021.02.24 熱設計

技術發展趨勢的變化和熱設計

電子裝置中半導體元件的熱設計

上一篇文章中我們以“什麼是熱設計”為標題,大致介紹了半導體元件熱設計的重要性。本文我們希望就半導體元件的熱設計再進行一些具體說明。

技術發展趨勢的變化和熱設計

近年來,“小型化”、“高功能化”、“設計靈活性”已經成為半導體元件的技術發展趨勢。在此我們需要考慮的是這些半導體元件趨勢將對熱和熱設計產生怎樣的影響。

“小型化”

產品的小型化需求,推動了IC、安裝電路板、其他電容等元件的小型化。在半導體元件的小型化進程中,例如封裝在傳統TO-220之類的通孔插裝型較大封裝中的IC晶片,如今封裝在小得多的表面安裝型封裝中的情況並不少見。

而且,還採用了一些提高密集程度的方法。例如將同一封裝中搭載的IC晶片調整為2個將其雙重化,或者透過放入相當於2個晶片的晶片來提高密集程度,從而增加單位面積的功能(功能面積比)。

這樣的元件小型化和高度積體,將會使發熱量增加。實例如下所示。左側的熱圖像是封裝小型化的範例,是功耗相同的20×20×20mm封裝和10×10×10mm封裝的比較範例。很明顯,較小封裝中表示高溫的紅色更為集中,即發熱量更大。右側為高積體度的範例,對相同尺寸封裝中使用一顆晶片和2枚晶片的產品進行對比時,可以明顯看到溫度的差異也非常明顯。

而且還進行了高密度安裝,即將小型化、高度集約後的元件高密度且雙面安裝在小型電路板上,然後將電路板裝滿殼體。

高密度安裝減少了散熱到電路板上的表面安裝型器件的有效散熱範圍,發熱量增加。若殼體內的環境溫度較高,可以散發的熱量會減少。從結果來看,雖然原來只有發熱元件周圍為高溫,但現在整個電路板都呈高溫狀態。這甚至導致發熱量較小的元件溫度升高。

“高機能化”

要想提高裝置的功能,需要增加元件,或使用積體規模更大、能力更高IC,並且還需要提高資料的處理速度、提高訊號的頻率等。這些方法使功耗呈日益增加趨勢,最終導致發熱量增加。此外,在處理高頻時,為了抑制雜訊輻射,很多情況需要進行遮罩處理。由於熱量會蓄積在遮罩層內,因此對於遮罩層內的元件而言,溫度條件變得更差。而且很難以提高功能為理由而擴大裝置尺寸,因此會變成上述的高密度狀態,從而導致殼體內的溫度升高。

“設計靈活性”

為了使產品與眾不同或呈現美感,越來越多的產品開始重視設計性,甚至優先考慮設計靈活性。其弊端在於因過度的高密度安裝和無法合理散熱,導致殼體出現高溫的情況。簡而言之,就是手拿著可攜式裝置,會覺得很燙。為了提高元件的設計靈活性,即外形的自由度,如上所述可採用小型或扁平的產品,但是更加優先考慮設計靈活性的產品不在少數。

問題不僅僅在於發熱量增加和散熱困難

如上所述,由於“小型化”、“高功能化”、“設計靈活性”這三種技術發展趨勢的變化,已經導致發熱量增加,相應地,散熱也變得更難。因此熱設計面臨著更嚴苛的條件和要求。確實這是一個非常大的問題,但同時還有一個問題需要我們去考量。

多數情況下公司的裝置設計中都設定了對熱設計的評估標準。如果該評估標準比較老舊,未考慮到最近的技術發展趨勢並重新進行修改,那麼該評估標準本身就存在問題。若未進行此類考量,且根據未考慮到現狀的評估標準進行設計,則可能會發生非常嚴重的問題。

為了對應技術發展趨勢的變化,需要對熱設計的評估標準進行重新修訂。

重點:

・近年來,半導體元件的“小型化”、半導體元件的“高功能化”、半導體元件的“設計靈活性”已經成為技術發展趨勢。

・這些技術發展趨勢導致半導體元件的發熱量增加、散熱更加困難,熱設計變得更複雜。

・重新審視現有的半導體元器熱設計評估標準,是否符合當前的技術發展趨勢也是非常重要的。

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