電子設備中半導體元件的熱設計 總結

本文的關鍵要點

・簡而言之，熱設計旨在使半導體元件的T_J 保持在最大額定值T_JMAX範圍內。

・如果在設計階段沒有認真對待熱設計，那麼可能會在試做階段或投入量產之前出現問題。

・越接近量產，對策所需時間越多、成本也越高，甚至會出現產品交貨延遲，導致錯失商機的大問題。

・最壞的情況是在市場中才出現問題，從而導致召回和信用問題，因此從根本上講熱設計非常重要。

本文的關鍵要點

・近年來，”小型化”、”高性能化”、”設計靈活性”已經成為技術發展趨勢。

・這些技術發展趨勢使產品的發熱量增加、散熱變難，熱設計變得更不容易。

・重新審視現有的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。

本文的關鍵要點

・除了建立滿足現代需求的熱設計和評估標準外，對熱設計的相互瞭解對於優化熱設計來說是非常必要的。

・另外，必須”認真地對待”熱設計。

・透過提高設計品質，可以減少人力並降低成本。

本文的關鍵要點

・熱阻是表示熱量傳遞難易程度的數值。

・熱阻的符號為Rth和θ，單位為℃/W（K/W）。

・可以用與電阻大致相同的思路來考慮熱阻。

本文的關鍵要點

・熱傳遞主要有三種形式：傳導、對流和輻射。

・以安裝在印刷電路板上的IC為例，發熱源是IC晶片，其熱量會傳導至封裝、引線框架、晶片安裝部位和印刷電路板上。然後，其熱量會透過對流和輻射從印刷電路板和IC封裝表面傳遞到大氣中。

・只要知道該路徑的熱阻和IC的功率損耗，就可以根據熱歐姆定律來計算T_A和T_J之間的差。

・所謂的“熱設計”，就是減少從晶片到大氣的散熱路徑中的熱阻。

本文的關鍵要點

・關於傳導中的熱阻，其基本概念與導體的薄膜電阻基本相同。

本文的關鍵要點

・流體是指氣體和液體等流動的物質。

・對流是一種透過接收到熱量的流體的移動來傳遞熱量的換熱現象。

・自然對流是僅由流體的溫差產生的浮力驅動的流體運動。

・強制對流是由風扇和泵浦等外力驅動的流體運動。

・對流中的熱阻是對流傳熱係數hm與發熱物體的表面積A乘積的倒數。

本文的關鍵要點

・輻射是透過電磁波來傳遞熱量，其原理與透過分子傳熱的傳導和對流的原理不同。

・輻射熱阻是輻射傳熱係數與發熱體表面積之積的倒數。

本文的關鍵要點

・熱阻資料需要按照標準規範來獲取，通常都明確規定了需要遵循的標準。

・在JEDEC標準中，與“熱”相關的標準主要有以下兩個：
－JESD51系列：包括IC等的封裝的“熱”相關的大多數標準。
－JESD15系列：對模擬用的熱阻模型進行標準化。

・JESD51-2A中規定了熱阻測試環境。

・JESD51-3/5/7中規定了用來測試熱阻的電路板。

本文的關鍵要點

・IC的技術規格書等資料中通常會提供熱阻資料，但內容可能會因IC的類型和製造商而異。

・熱阻因實裝電路板的條件不同而有很大差異，因此必須確認測試條件。

本文的關鍵要點

・熱阻和熱特性參數在JEDEC標準的JESD51中進行了定義。

・每種熱阻和熱特性參數均有對應的基本用途，計算時使用相應的熱阻和熱特性參數進行計算。

本文的關鍵要點

・鑒於近年來設備的實際安裝條件，一般認為透過θ_JA進行熱設計是比較難的。

・近年來難以統一T_A的定義，需要單獨定義。

・在安裝密度很高的設備中很難實測T_A。

・近年來，根據比較容易實測的T_T和Ψ_JT來估算T_J已成為主流方法。

本文的關鍵要點

・在已安裝於應用產品的狀態下，基本上無法透過θ_JA進行T_J估算。

・Ψ_JT因安裝條件而異，但如果掌握了所使用的電路板和應用產品的狀態，則可以用於估算實際使用時的T_J。

本文的關鍵要點

・T_J的估算有兩種方法：根據T_A和θ_JA或者根據T_T和Ψ_JT進行估算。

・兩種計算都需要IC的功耗P這個參數。

本文的關鍵要點

・透過熱阻θ_JA來估算TJ時，需要功耗P和T_A的值。

・根據公式求出T_J並確認它的值在T_JMAX以內。

本文的關鍵要點

・透過熱阻Ψ_JT來估算T_J時，需要功耗P和實際使用狀態下IC封裝頂部中心溫度T_T的值。

・T_T需要實際測量。

・根據公式求出T_J並確認它的值在T_JMAX以內。

本文的關鍵要點

・當預計會出現暫態功耗增加的情況時，需要計算出瞬態峰值T_J。

・在求瞬態溫升時，熱阻值使用瞬態熱阻值。

・需要確認瞬態峰值T_J是否超過T_JMAX。

本文的關鍵要點

・如果將會發熱的IC安裝的過於密集，就會發生熱干擾並導致溫度升高。

・根據所容許的最大T_J求得所需的θ_JA，並估算其所需的散熱面積。

本文的關鍵要點

・在測量已安裝的半導體元件的表面溫度時，通常多使用熱電偶。

・在本文中使用一等標準K型熱電偶和AWG38導線。

本文的關鍵要點

・將熱電偶的測量端（連接端）固定到IC等封裝上的方法有兩種：①使用聚醯亞胺（PI）膠帶等；②使用環氧樹脂黏著劑。

・JEDEC推薦使用環氧樹脂黏著劑的方法。

・除了熱電偶測量端的固定方法外，導線的處理也會影響到測量結果，因此應沿著發熱源貼合鋪設導線。

本文的關鍵要點

・要想準確測量T_T，熱電偶的安裝位置也很重要。

・即使有毫米級的偏差，也會造成溫度差異。

本文的關鍵要點

・使用熱電偶時，請勿將熱電偶的測量端扭曲使用。

・對接頭部位進行焊接，可以更大程度地減少熱電偶的散熱量。

本文的關鍵要點

・要測量表面溫度的元件的封裝越小，熱電偶的散熱所帶來的影響越大，這一點需要注意。

本文的關鍵要點

・將表面安裝產品手動焊接到評估板上時，熱阻可能會升高。

・原則上，在需要進行熱相關的評估時，表面安裝產品應透過回流焊的方式安裝在電路板上。

本文的關鍵要點

・電路板層數越多，熱阻受銅箔厚度的影響越大。

本文的關鍵要點

・對於電路板層數與熱阻的關係而言，層數越多，熱阻越低。

・過孔(Via)可以有效降低熱阻，而且設置過孔(Via)比增加電路板層數更有效。

本文的關鍵要點

・將過孔(Via)設置在盡可能靠近發熱源的位置，降低熱阻的效果最好。

・如果將過孔(Via)設置在周邊其他位置而不是發熱源的正下方，將會使散熱路徑中多出橫向（水準）路徑，從而導致熱阻上升。

本文的關鍵要點

・即使電路板的層數相同，熱阻也會因IC的安裝位置而異。

・如果將IC安裝在電路板邊緣，會導致有效散熱面積大大減少。

本文的關鍵要點

・在自然空冷環境下，熱阻會因電路板是水準還是垂直而異。

・當電路板垂直放置時，對流傳熱會增加，熱阻會降低。

本文的關鍵要點

・為了縮短從設計到量產的時間，越來越多的企業會將熱設計工作往前推，在前期設計中導入熱設計。

・高精度的熱模擬是在前期設計階段導入熱設計的關鍵。