信息来源：罗姆半导体集团、做个热设计

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01

什么是热设计？

 

在电子设备的设计中，一直需要解决小型化、高效化、EMC（电磁兼容性）等课题，近年来，半导体元器件的热对策已经越来越受到重视，半导体元器件的热设计已成为新的课题。由于“热”涉及到元器件和设备的性能、可靠性以及安全性，因此一直以来都是重要研究项目之一。近年来对电子设备的要求已经发生变化，因此有必要重新审视以往的方法。

在“电子设备中半导体元器件的热设计”中，原则上，我们将以电子设备使用的IC和晶体管等半导体产品为前提来讨论热设计相关的话题。

半导体元器件规定了封装内部的芯片温度，即结点（接合部）温度的绝对更大额定值Tjmax。在设计时，需要对发热和环境温度进行研究，以确保产品的结温不超过Tjmax。因此，会对所有要使用的半导体元器件进行热计算，以确认是否超过了Tjmax。如果可能超过Tjmax，就要采取降低损耗或散热措施，以使Tjmax保持在更大额定值范围之内。简而言之，这就是热设计。

当然，在电子设备中不仅使用半导体产品，而且还使用电容器、电阻及电机等各种部件，并且每个部件都具有与温度和功耗有关的绝对更大额定值，因此，在实际设计时，组成设备的所有部件都不能超过温度相关的更大额定值。

在设计阶段进行良好热设计的必要性

如果在设计阶段没有认真地进行热设计并采取相应的措施，可能会在产品试制阶段甚至要投入量产时发现热引起的问题。虽然问题不仅限于热，但是越接近量产阶段，采取对策所需的时间越多，成本也越高，甚至会出现产品交货延迟，导致错失商机的大问题。最坏的情况是在市场中才出现问题，从而导致召回和信用问题。

尽管我们不愿意去想象热引发的问题，但热处理不当非常有可能引发冒烟、起火、甚至火灾等涉及人身安全的问题，所以，热设计从根本上讲是非常重要的。因此，从开始阶段就必须切实地做好热设计。

热设计越来越重要

近年来，对于电子设备来说，小型化和高性能化的要求已变得理所当然，也因此促进了进一步集成化。具体来讲表现为元器件数量更多，电路板上的安装密度更高，外壳尺寸更小。结果是导致发热密度显著增加。

首先需要认识到的是，随技术发展趋势的变化，热设计变得比以往任何时候都更加严苛。如前所述，设备不仅要求元器件日益“小型化”和“高性能化”，而且还要求出色的“设计灵活性”，因此热对策（散热措施）已经成为一个很大的课题。由于热设计有助于提高设备的可靠性、安全性并降低总成本，因而变得越来越重要。

 

02

技术发展趋势的变化和热设计

 

近年来，“小型化”、“高功能化”、“设计灵活性”已经成为半导体元器件技术发展趋势。在此我们需要考虑的是半导体元器件的这些趋势将对热和热设计产生怎样的影响。

“小型化”

产品的小型化需求，推动了IC、安装电路板、其他电容器等元器件的小型化。在半导体元器件的小型化进程中，例如封装在以往TO-220之类的通孔插装型较大封装中的IC芯片，如今封装在小得多的表面贴装型封装中的情况并不少见。

而且，还采用了一些提高集成度的方法。例如将同一封装中搭载的IC芯片调整为2个将其双重化，或者通过放入相当于2个芯片的芯片来提高集成度，从而增加单位面积的功能（功能面积比）。

这样的元器件小型化和高度集成，将会使发热量增加。实例如下所示。左侧的热图像是封装小型化的示例，是功耗相同的20×20×20mm封装和10×10×10mm封装的比较示例。很明显，较小封装中表示高温的红色更为集中，即发热量更大。右侧为高集成度的示例，对相同尺寸封装中使用1枚芯片和2枚芯片的产品进行对比时，可以明显看到温度的差异也非常明显。

而且还进行了高密度安装，即将小型化、高度集成后的元器件高密度且双面安装在小型电路板上，然后将电路板装满壳体。

高密度安装减少了散热到电路板上的表面贴装型器件的有效散热范围，发热量增加。若壳体内的环境温度较高，可以散发的热量会减少。从结果来看，虽然原来只有发热元器件周围为高温，但现在整个电路板都呈高温状态。这甚至导致发热量较小的元器件温度升高。

要想提高设备的功能，需要增加元器件，或使用集成规模更大、能力更高IC，并且还需要提高数据的处理速度、提高信号的频率等。这些方法使功耗呈日益增加趋势，最终导致发热量增加。此外，在处理高频时，为了抑制噪声辐射，很多情况需要进行屏蔽处理。由于热量会蓄积在屏蔽层内，因此对于屏蔽层内的元器件而言，温度条件变得更差。而且很难以提高功能为理由而扩大设备尺寸，因此会变成上述的高密度状态，从而导致壳体内的温度升高。

“设计灵活性”

为了使产品与众不同或体现美感，越来越多的产品开始重视设计性，甚至优先考虑设计灵活性。其弊端在于，由于过度地高密度安装和无法合理散热而导致壳体出现高温的情况。简而言之，就是手拿着便携设备，会觉得很烫。为了提高元器件的设计灵活性，即外形的自由度，如上所述可采用小型或扁平的产品，但是更加优先考虑设计灵活性的产品不在少数。

问题不仅仅在于发热量增加和散热困难

如上所述，由于“小型化”、“高功能化”、“设计灵活性”这三种技术发展趋势的变化，已经导致发热量增加，相应地，散热也变得更难。因此热设计面临着更严苛的条件和要求。确实这是一个非常大的问题，但同时还有一个问题需要我们去考量。

多数情况下公司的设备设计中都设置了对热设计的评估标准。如果该评估标准比较老旧，未考虑到最近的技术发展趋势并重新进行修改，那么该评估标准本身就存在问题。若未进行此类考量，且根据未考虑到现状的评估标准进行设计，则可能会发生非常严重的问题。

为了应对技术发展趋势的变化，需要对热设计的评估标准进行重新修订。

 

03

热设计的相互了解

 

本节中将介绍近年来半导体元器件的热设计工作，如果没有设备设计相关的所有技术部门之间的相互了解，就无法很好地进行半导体元器件热设计。虽然在对热设计进行具体说明之前的前言有些冗长，但这是由于近年来半导体元器件的热设计课题不仅与热设计的技术水平有关，而且还与涉及到热设计的环境和体制密切相关。希望在理解这一点的前提下再继续开展工作。

产品开发大致会涉及到电子电路设计、安装电路板（PCB）设计、机械设计及软件设计。以往这些工作通常由各个专门的设计人员或负责部门分工完成，例如，电子电路设计人员负责选择符合产品规格的元器件并设计电路；软件设计人员负责开发用于控制硬件的软件；安装电路板设计人员负责考虑到适当的部件配置、布局以及电路板尺寸等因素来设计电路板；而机械设计人员则负责设计外壳和结构。

要想在这种情况下实现理想的热设计，如果没有一种机制能够使每个设计人员都将热设计融入到自己的设计中，并与其他设计共享以使热设计成为一个整体设计，就很难打造出热设计得到优化的产品。

例如，我们将探讨设计无风扇规格，以适应设备小型化、低噪声和降成本的发展趋势。有风扇的规格通常应该由负责外壳内部冷却的机械设计人员来担当，但是当没有风扇时，哪个设计人员可以处理冷却问题呢？这张图列出了每个部分的设计人员有可能作为热设计要进行的事情。

可能您看到内容就会马上注意到，要想完成无风扇设计，就需要每个部分的设计人员都要在各自负责的部分采取相应措施减少发热量或提高散热性，并且每种措施之间都是相互关联的。这些往往是没有相互交流就无法完成的事情，如果没有相互了解，心存侥幸，不太可能不发生由此产生的后果。反之，相互了解、沟通顺畅的话，则可能注意到仅在在自己负责的部分中没有注意到的问题，从而能够寻求更有效的解决方案。

通过相互了解来优化热设计的好处

有一个词叫做“设计品质”。简而言之，高质量的设计是：根据设计进行试制，没有问题，能够在短时间内投入量产，并且在市场上也没有问题。这不仅局限于热设计，而是每个人都想要的结果。因此，提高设计品质是非常重要的。而要实现高质量的设计，除了前面提到的要建立能够满足现代要求的热设计和评估标准、以及相互了解之外，还必须“认真地对待”热设计。

虽然实际上可能存在人手不足或成本优先等问题，但是提高设计品质其实是非常有助于解决这些问题的。如下图所示，如果设计品质提高了，就可以减少试制次数。这本身就可以大大降低成本，并且由于返工减少了，不仅可以节省成本，还可以节省人力。

 

04

什么是热阻

热阻是表示热量传递难易程度的数值。是任意两点之间的温度差除以两点之间流动的热流量（单位时间内流动的热量）而获得的值。热阻值高意味着热量难以传递，而热阻值低意味着热量易于传递。

热阻的符号为Rth和θ。Rth来源于热阻的英文表达“thermal resistance”。

单位是℃/W（K/W）。

热欧姆定律

可以用与电阻几乎相同的思路来考虑热阻，并且可以以与欧姆定律相同的方式来处理热计算的基本公式。

因此，就像可以通过R×I来求出电位差⊿V一样，可以通过Rth×P来求出温度差⊿T。

 

 

05

传热和散热路径

 

热量通过物体和空间传递。传递是指热量从热源转移到他处。

三种热传递形式

热传递主要有三种形式：传导、对流和辐射。

・传导：由热能引起的分子运动被传播到相邻分子。

・对流：通过空气和水等流体进行的热转移

・辐射：通过电磁波释放热能

散热路径

产生的热量通过传导、对流和辐射的方式经由各种路径逸出到大气中。由于我们的主题是“半导体元器件的热设计”，因此在这里将以安装在印刷电路板上的IC为例进行说明。

热源是IC芯片。该热量会传导至封装、引线框架、焊盘和印刷电路板。热量通过对流和辐射从印刷电路板和IC封装表面传递到大气中。可以使用热阻表示如下：

上图右上方的IC截面图中，每个部分的颜色与电路网圆圈的颜色相匹配（例如芯片为红色）。芯片温度TJ通过电路网中所示的热阻达到环境温度TA。

采用表面安装的方式安装在印刷电路板（PCB）上时，红色虚线包围的路径是主要的散热路径。具体而言，热量从芯片经由键合材料（芯片与背面露出框架之间的粘接剂）传导至背面框架（焊盘），然后通过印刷电路板上的焊料传导至印刷电路板。然后，该热量通过来自印刷基板的对流和辐射传递到大气中（TA）。

其他途径还包括从芯片通过键合线传递到引线框架、再传递到印刷基板来实现对流和辐射的路径，以及从芯片通过封装来实现对流和辐射的路径。

所谓的“热设计”，就是努力减少各处的热阻，即减少从芯片到大气的散热路径的热阻， 最终TJ降低并且可靠性提高。

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传导中的热阻

热传导是指物质间、分子间的热能移动。这种传导方式的热阻如下图和公式所示。

从图中可以看出，截面积为A、长度为L的物质一端的温度T1通过传导变为温度T2。

第一个公式表示T1和T2之间的温度差是用红色虚线围起来的项乘以热流量P得到的值。

最下面的公式表示用红色虚线围起来的项相当于热阻Rth。

从上图和公式中的各个项看，应该可以很容易理解，传导中的热阻基本上与导体的薄层电阻思路相同。众所周知，薄层电阻可以通过用电阻率代替红色虚线框中的热导率来计算。正如电阻率对于不同的导体材料具有固有的值一样，热导率也是如此。

从热阻公式来看，传导中的热阻随着物体截面积的增加或长度的缩短而下降。

用来求得（T1-T2）的公式，最终变为热阻Rth × 热流量P，符合“什么是热阻？”中提到的“热欧姆定律”。

 

07

对流中的热阻

 

什么是对流？

对流有几种类型，先来了解一下术语及其定义。另外，下面还给出了对流示意图。

 

对流中的热阻

 

下面是表示对流热阻的公式。

 

 

对流中的热阻是对流传热系数hm与发热物体的表面积A乘积的倒数。从公式中可以看出，对流换热热阻随着物体表面积的增加而减小。

对流传热系数hm因对流类型而异。上面还分别给出了自然对流和强制对流（层流和湍流）的hm。

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辐射中的热阻

 

什么是辐射？

辐射是通过电磁波来传递热量的方式。其机理与通过分子传递热量的传导和对流的机理不同。即使在没有物体或流体的真空中也可以传递热量。

辐射中的热阻

下面是表示辐射热阻的公式。

 

 

辐射热阻是辐射传热系数与发热体表面积之积的倒数。从公式可以看出，物体的表面积、温度和辐射率均会影响辐射热阻。

至此，我们已经了解了三种热传递方式——传导、对流和辐射的热阻公式。这些都是很基础的公式，可以通过公式确认各项与热阻之间的关系。

09

热阻数据：JEDEC标准及热阻测量环境和电路板

 

JEDEC标准

JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council）是一个推动半导体元器件领域标准化的行业组织。半导体制造商以及电力电子领域的从业者不可避免地会涉及到很多行业标准。作为大原则，无论热相关的项目还是其他项目，其测试方法和条件等都要符合行业标准。其原因不言而喻：因为如果方法和条件各不不同，就无法比较和判断好坏。

在JEDEC标准中，与“热”相关的标准主要有两个：

JESD51系列：　包括IC等的封装的“热”相关的大多数标准。

JESD15系列：　对仿真用的热阻模型进行标准化。

JESD51系列中具有代表性的热标准如下：

热阻测试环境

JESD51-2A中规定了热阻测试环境。以下是符合JESD51-2A的热阻测试环境示例。

通过将测量对象置于亚克力箱内，使其处于Still Air（静态空气）状态，消除周围大气流动的影响，测试对象处于自然空冷状态。此外，通过始终将测试对象设置在同一位置，来确保测试的高再现性。

热阻测试电路板

对于用来测试热阻的电路板也有规定。

JESD51-3/5/7中规定了通常被称为“JEDEC板”的电路板。下面是其中一个示例：

热阻数据基本上要按照标准规范来获取，通常都明确规定了需要遵循的标准。

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热阻数据：实际的数据示例

 

通常在IC的技术规格书中都会提供IC热阻相关的信息。但是，所提供的热阻类型和设置可能会因IC的种类（例如用于信号处理的低功耗运算放大器、用于供电的热设计很重要的稳压器等）不同而略有不同。另外，也会因IC制造商而异。

下面是500mA输出LDO线性稳压器的技术规格书中提供的热阻信息示例。

这款IC有两种封装，因此提供了每种封装（TO263-5、TO252-J5）的热阻。顺便提一下，这两种封装都是带散热片的电源系统5引脚表贴型封装。

下面来看一下具体内容。如Note 1所示，该热阻数据符合前文所述的 JESD51-2A（Still-Air）标准（红框部分）。

提供的热阻为以下两种：

・Junction to Ambient：θJA（℃/W）

・Junction to Top Characterization Parameter：ΨJT（℃/W）

此外，还给出了每种热阻在两种电路板条件下的值，一种是安装于1层电路板上，另一种是安装于4层电路板上。1层电路板如Note 3所示是符合JESD51-3的电路板，4层电路板是符合JESD51-5和7的电路板（Note 4）。表中列出了每种电路板的条件。

热阻与实装电路板之间的关系

在上例中，作为热阻条件，明确列出了JESD51中规定的实装电路板的条件。这意味着热阻不仅仅由IC封装决定，很大程度上还受到其实装电路板条件的影响。近年来，表贴型封装的应用非常广泛，在考虑IC的热阻时，必须要考虑到实装电路板的散热（降低热阻）情况。仅根据封装的热阻进行热计算是不现实的。

该图显示了每种热阻（θJA、ΨJT）与散热用的铜箔面积之间的关系。这是用于测试的封装为背面带散热片的8引脚SOP型封装、铜箔面积为15.7mm²到1200mm²条件下的数据。其他因素还包括电路板层数、材料和铜箔厚度等，不过在这个关系示意图中，请将这些因素视为条件相同，在此前提下来看铜箔面积与热阻之间的关系。

在本例中，从IC的结点（芯片）经由实装电路板到环境（大气）的热阻θJA和铜箔面积的关系非常显著。实际上，需要确保散热所需（即适当的θJA）的铜箔面积，以免在使用条件下超过Tjmax。

反之，如果未明确说明所提供的热阻的条件，则必须要确认其条件。上例中的数值表明，热阻会因条件不同而有很大不同。

 

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热阻数据：热阻和热特性参数的定义

 

θJA和ΨJT的定义

先温习一下上一篇中的部分内容：

・θJA（℃/W）：结点-周围环境间的热阻

・ΨJT（℃/W）：结点-封装上表面中心间的热特性参数

为了便于具体理解这两个概念，下面给出了表示θJA和ΨJT的示意图。

θJA是从结点到周围环境之间的热阻，存在多条散热路径。ΨJT是从结点到封装上表面中心的热特性参数。

此外，还定义了结点与封装上表面之间的热阻θJC-TOP和结点与封装下表面之间的热阻θJC-BOT，如下图所示。请注意，θJC-TOP和ΨJT之间存在细微差别，即“封装上表面”和“封装上表面中心”的差异。

这些均在JEDEC标准的JESD51中进行了定义。下表中汇总了每种概念的定义、用途及计算公式。

※1：环境温度（TA）是指不受测试对象器件影响的位置的周围环境温度。在发热源的边界层的外侧。

※2：θJA和ΨJT是实际安装在JEDEC电路板上时的数据。

※3：θJC-TOP和θJC-BOT根据JESD51-14（TDI法）标准测试。

 

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