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繼小型化、高效化和EMC之後的重要課題:熱設計

基於對技術的相互瞭解
從整體面強化熱設計很重要

-其2-

Keyword
  • 延長壽命
  • 工作溫度越高,壽命越短
  • 盡可能減少重新設計
  • 在初期階段進行高精度的熱設計
  • 顧客抱怨和產品回收是嚴重的社會問題
  • 普遍認為發熱狀況已經不同於傳統,熱設計的方法也在發生改變
  • 基於對技術的相互瞭解,從整體面強化熱設計
  • 傳熱學
  • 流體力學
  • 熱阻網路法
  • 熱傳導模擬器
  • 熱流體模擬器
  • JEDEC標準
  • 符合JESD51標準
  • θJA
  • ΨJT
  • θJCtop
  • θJCbot

-除了“小型化”、“高性能化”和“設計靈活性”等技術發展趨勢的變化以外,是否還有其他因素?

儘管技術發展趨勢的變化使發熱密度呈現增加趨勢,但對於延長使用壽命的要求有增無減,尤其是在車電裝置和工控裝置領域。不僅是半導體產品,其他零件也是一樣,工作壽命與溫度息息相關,簡單地說就是工作溫度越高,壽命越短。雖然業界正在努力提高半導體產品自身的效率、降低功耗並減少自身發熱量,但實際上,目前市場狀況需要我們採取更多超越傳統的散熱措施。

結果是導致降低成本變得非常艱難。不僅降低元件和材料成本,而且在量產之前盡可能地減少重新設計,就要求在設計的初期階段進行高精度的熱設計。而要做到這一點,就需要相對應的資訊、技術、知識和工具,而且也需要確實地加以掌握並熟練地運用。毋庸置疑的,在量產之前的試製評估中,多次出現問題並且重複進行好幾次試製的情況,與在初期階段進行完善的熱設計,且試製評估可以一次就通過的情況相比,所花費的金錢、時間和人力是存在巨大差異的。

此外,除了這種設計成本之外,還可能會導致顧客抱怨和產品回收等嚴重的社會問題,最終不僅會使公司蒙受巨額損失,甚至還可能會導致公司倒閉。實際上,在電氣產品和汽車領域等與熱設計息息相關的市場領域中,事故和不良品回收的事件一直層出不窮。

因此,雖然發熱量增加並且相關條件變得越來越嚴苛,但仍需要做出比傳統更安全可靠的熱設計。

-原來如此。總結一下您的談話內容,也就是說熱設計是必要的,但是隨著近年來對小型化、高性能以及設計靈活性的相關需求增加,在很多情況下傳統的熱設計手法已經呈現不足,因此需要更先進的技術、知識、資訊和工具,並且要確實地加以掌握並熟練地運用,熱設計已經變得越來越複雜,而這已經成為一個很大的課題,是嗎?

是的。另外跟過去相比,需要更高精度的熱設計來滿足降低成本,和避免顧客抱怨。

-是否有解決這些問題的建議?

我經常拜訪客戶並舉辦有關熱設計的現場研討會,或者是為了某個專案提供熱設計相關支援。當我聽到現場設計師們實際遇到的問題時,我覺得除了技術問題外,還有其他一些應該考慮的部分。

簡單的說,設計一種產品需要電子電路設計、與外殼和結構有關的機械設計、印刷電路板設計以及軟體設計。不同的公司,具體情況也各不相同。例如有的將工程師分配給每個設計階段,有的是由單獨一個部門完成,有的由一個工程師同時擔任多個階段的設計任務,具體而言會因公司而異。但是在近年來的熱設計中,我認為有一點非常重要,那就是所有設計師要有一個共識:跟過去相比,與熱相關的實際情況已經大有不同,熱設計的手法也在發生改變。我認為透過基於對技術的相互瞭解,從整體面進行熱設計,是可以克服上述問題並滿足相關要求。

-您前面提到過,現在需要高精度的熱設計,並且需要相應的技術、知識、資訊和工具,那麼實際上具體需要什麼?

就知識面而言,同時掌握傳熱學和流體力學將非常有幫助。至少要對傳熱學有所瞭解,這樣可以掌握多種手法。還需要瞭解熱阻網路法

另外,使用熱傳導模擬器或熱流體模擬器也是非常有效的方法。如今,對於熱設計而言,基本上模擬器是必需的工具。最近還出現了一些非常出色的好用工具。模擬所需的熱模擬模型可以使用零件製造商提供的模型。

作為資訊來源,可以參考JEITA(社團法人 電子資訊技術產業協會)的半導體封裝技術委員會的網站。如果製造商沒有提供熱模擬所需的模型,則可以使用這裡的“半導體封裝熱參數預測工具”進行處理。

-ROHM有哪些行動、能提供什麼樣的支援呢?

ROHM加入了我前面介紹過的JEITA半導體封裝技術委員會,並透過該委員會正在研究對熱阻相關的標準進行修訂與增加。已經為各種熱阻的定義、因各種參數引起的特性波動、使用方法和課題等制定了準則並實際運用。

此外,還可以提供用於熱模擬的模型。早前就已經提供了熱阻θJA和θJC,還可以提供符合JEDEC標準和JESD51標準的θJA、ΨJT、θJCtop、θJCbot 。還有可以提供熱模擬支援和熱阻測量支援(可個別對應)。如果有需要,請再與我們聯繫。

-最後,請總結歸納一下。

由於技術發展趨勢的變化,近年來熱設計已經變得更加複雜。瞭解這種現狀並加深設計人員和部門之間的相互瞭解與合作,可以降低成本並提高產品的可靠性和安全性。

在Tech Web的基礎知識部分中也有一篇有關熱設計的文章,歡迎多多參閱。

-非常感謝您的講解。

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