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電子設備中半導體元件的熱設計 表面安裝的散熱面積估算和注意事項

2025.01.22

重點

・如果將會發熱的IC安裝得過於密集，就會發生熱干擾並導致溫度升高。

・根據所容許的最大TJ求得所需的θJA，並估算其所需的散熱面積。

到目前為止，我們已經介紹過使用熱阻和熱特性參數來估算TJ的方法。本文將介紹在表面安裝應用中，如何估算散熱面積以確保符合TJ max，以及與熱相關的元件佈局注意事項。

元件配置與熱干擾

隨著近年來對小型化的需求日益高漲，對電路板也提出了要盡可能小的要求，使元件的安裝密度趨於增高。但是，對於發熱的元件來說（在這裡是指IC），需要將電路板當作散熱器，因此也就需要一定的面積來散熱。如果不能確保相對應的面積，就會導致熱阻升高，發熱量增加。此外，如果發熱的IC彼此靠近安裝，它們產生的熱量會相互干擾並導致溫度升高。

下圖就是表面安裝IC的散熱路徑和發熱IC密集安裝時的散熱情況示意圖。

元件配置與熱干擾

IC產生的熱量沿水平方向（面積）和垂直方向（電路板厚度）傳導並消散。但是如果將IC安裝得很密集，特別是水平方向的熱量會互相干擾，熱量很難散發出來，因此最終會導致溫度升高。

散熱所需的電路板面積估算

在表面安裝應用中，為了獲得IC能夠確保符合TJ max的熱阻，就需要有與其相對應的散熱面積。此外，避免熱干擾也很重要。下圖是防止熱干擾所需的間距示意圖。至少在滿足這一點後，再根據θJA與銅箔面積的關係圖估算所需的散熱面積。

散熱所需的電路板面積估算

如圖所示，至少需要IC端到板面的45°直線不干涉的間距。接下來，求使用條件下所需的θJA。

條件範例：IC功耗=1W，最高環境溫度TA(HT)＝85℃，最大容許TJ值＝140℃

\(T_J = P \times \theta_{JA} + T_{A(HT)}\)

\(140^\circ C = 1W \times \theta_{JA} + 85^\circ C\)

\(\theta_{JA} = (140^\circ C – 85^\circ C) \div 1W = 55^\circ C/W\)

從右圖中可以看出，要想使θJA為55℃/W，需要500mm2以上的銅箔面積。

至少需要的散熱範圍示意圖

θJA vs銅箔面積（HRP7範例 2Layer/JEDEC 2s ）

就是這樣透過確保避免熱干擾的間隔和所需的散熱面積，來考慮最終的IC佈局。

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近年來，電子設備設計中的熱對策益發受到關注，熱設計已成為一個新課題。雖然熱一直是一個重要的考慮因素，但近年來對電子設備的要求不斷發生變化，因此有必要重新審視傳統的熱對策。本手冊基本以電子設備中使用的IC和電晶體為前提的熱設計進行說明。

表面安裝的散熱面積估算和注意事項
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