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繼小型化、高效化和EMC之後的重要課題:熱設計

技術發展趨勢的變化
使熱設計面臨更大挑戰

-其1-

Keyword
  • 小型化
  • 高效化
  • EMC
  • 熱相關的問題日益受到重視
  • 熱設計是重要課題
  • 絕對最大額定值
  • 不超過Tjmax的設計
  • 越接近量產,對策所需時間越多,成本也越高
  • 必須從初期階段開始就進行高精度的熱設計
  • 技術發展趨勢的變化
  • 對熱設計環境更加不利
  • 高性能化
  • 設計靈活性
  • 產品小型化和高密度安裝的趨勢,使發熱量提高
  • 高密度安裝
  • 發熱密度
  • 功耗
  • 重視設計

近年來,在電子產品的設計中,除了小型化、高效化之外,還需要解決與雜訊相關的EMC(電磁相容性)等課題,與“熱”相關的問題日益顯著,熱設計已成為重要課題。長期以來,“熱”一直是影響元件和裝置的性能、可靠性以及安全性的重要因素之一,針對為什麼如今“熱”問題備受關注,我們採訪了ROHM公司系統解決方案研發本部的安武 一平先生。

-這一次想請教您有關熱設計的問題。首先,想請您帶我們回顧一下什麼是熱設計以及為什麼需要進行熱設計,然後再在此前提下介紹為什麼如今“熱”問題會備受關注。

好的。原則上,我將以IC和電晶體等半導體產品為前提來進行相關的介紹。對於半導體元件來說,其絕對最大額定值是被規定好的,並且與溫度相關的“接合面溫度”,即封裝內部的晶片溫度Tjmax也已經被規定好了。當然,在設計時,需要確保接合面溫度不超過Tjmax。從整個裝置看,不僅半導體元件,電容和電阻等也規定了與溫度和功率損耗相關的絕對最大額定值,也必須確保它們不要超過限值。

因此,計算出發熱量,如果結果超過了Tjmax,則降低熱阻或提高散熱性能,以使其在最大額定值之內。這就是熱設計。

如果在設計階段沒有好好處理熱問題,則可能在產品試製階段或甚至要投入量產時發現由熱引起的問題。雖然問題不僅限於熱,但是越接近量產階段,採取對策所需的時間越多,成本也越高,甚至會出現交貨延遲,導致錯失商機的嚴重問題。最壞的情況是市場中出現問題,甚至可能導致召回和信用問題,因此熱設計是​​非常重要的。從設計初期階段開始,就必須進行高精度的熱設計,這一點至關重要。

-您所講的內容我非常認同。只是,這不是一直以來就有的普遍又基本的問題嗎?為什麼近年來這個課題會深受重視?

簡而言之,這是由於近年來裝置和元件的“小型化”和“高性能化”發展趨勢,使發熱密度增加了,並且在很多情況下,單單採用傳統的散熱對策方法和熱計算手法,已經無法完全解決這一問題了。

-關鍵點我已經瞭解了,能否請您更具體地講解一下。

首先希望您認識到的是“技術發展趨勢的變化對熱設計環境更加不利”這一點。此外,前面提到的裝置和元件的“小型化”、“高性能化”以及“設計靈活性”也是息息相關的因素。

-那麼請您從“小型化”開始講解。

產品的小型化需求,推動了安裝電路板、IC以及電容等的小型化。在元件的小型化進程中,例如封裝在傳統較大的TO-220通孔插件型的IC晶片,如今要封裝在更小的表面安裝型封裝中的情況並不少見。

此外,還有一些提高安裝密集度的手法。比如可以將二顆晶片或將相當於二顆晶片大小的晶片放入本來一顆IC晶片的封裝中。類似這樣的元件小型化和高度積體會使發熱量增加。這張顯示溫度分佈的圖像是20×20×20mm封裝和10×10×10mm封裝在相同功耗條件下的比較。顯然,小封裝的發熱量更大。同樣,在相同尺寸的封裝中,一顆晶片和二顆晶片之間的區別也很明顯。

當這樣的元件被高密度安裝在電路板上時,會使發熱密度進一步增加,並且由於安裝面積減少,有效的散熱範圍也隨之減少,導致整個電路板的溫度升高,甚至還會使附近發熱量很少的其他元件的溫度也會升高。這張圖像就是這類情況的示意圖,當密集地配置發熱元件時,整個電路板的溫度會很高。

高密度実装により発熱密度が上昇するイメージ

-“高性能化”會帶來什麼影響呢?

為了增加裝置的功能,就需要增加元件的數量,或使用積體規模更大、能力更高的IC,並且由於處理速度和頻率更高,使得功耗增加,最終導致發熱量呈增加趨勢。較高的頻率需要使用遮罩來抑制雜訊,但是熱量會滯留在遮罩內部。並且,很難以提高性能為理由而擴大外殼尺寸,因此會導致殼體內部的密度增加,殼體內部的溫度上升,並且很難散熱。

-“設計靈活性”是指什麼?

為了讓產品與眾不同並提高使用者評價,越來越多的產品開始重視設計。在某些情況下,甚至會優先考慮產品的設計靈活性。事實上,發生過因進氣孔和排氣孔未能配置在適當的位置而導致殼體內部溫度升高,從而引發問題的案例。為了提高元件的設計靈活性,即外形的自由度,可採用小型或扁平的方式,即便如此,優先考慮設計靈活性的產品不在少數。

由於“小型化”、“高性能化”和“設計靈活性”的發展而導致發熱量增加,並且散熱越來越難,熱設計面臨著比傳統更大的挑戰。

(未完待續)

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