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在電子設備的設計中，小型化、高效率化、電磁兼容性（EMC）對策、熱對策正在成為幾個重要的課題。“熱”關系到元器件和設備的性能、可靠性以及安全性，因此一直以來都是重點討論的事項之一。本應用筆記介紹了以在電子設備中使用的 IC 和晶體管等半導體元器件為前提的熱設計基礎。

何謂熱設計？

在半導體器件中，封裝內的芯片溫度、即結溫（接合部溫度）的最大額定值被規定為 TJMAX。當進行電子設備設計時，需要考慮器件的發熱情況和周圍環境溫度條件，以使器件溫度不超過TJMAX。因此，對于設計中使用到的所有半導體器件，都需要進行熱計算，判斷是否會超過 TJMAX。當超過 TJMAX 時，需要采取降低功耗、重新進行散熱設計等措施，將 TJ 控制在最大額定值的范圍以內。

當然，在電子設備中不僅僅會用到半導體器件，還會用到電容器、電阻器、電機等各種各樣的電子元器件，這些元器件各自都有關于溫度、以及功耗的最大額定值。在進行設計時，對于構成設備的所有電子元器件，都必須做到實際使用條件不能超過器件與溫度相關的最大額定值。

在設計初期階段進行熱設計的必要性

如果在設計初期階段，沒有進行熱設計并采取熱相關對策的話，有可能在產品的試生產階段，甚至在量產前夕，才發覺存在熱導致的問題。不僅僅針對熱，對于其他問題也是一樣，當采取對策的時機越靠近量產，則花費的時間和成本就會越多，可能成為導致出貨延期而喪失機會的大問題。最嚴重的情況是產品流向市場后發生問題，導致被迫召回，或者發展為信用問題。

熱導致的問題，可能會造成產品的故障、冒煙或者起火、甚至發展到火災等涉及到人的生命安全的問題，因此從根本上來說熱設計是非常重要的。由此，從初期階段開始就必須進行切實的熱設計。

熱設計的重要性在不斷提高

近年來，電子設備的小型化、高性能化成為了必然的技術要求，因此高度集成化在不斷地發展。具體而言，使用的器件數量在增加，基板上的貼裝密度得到提高，機殼的尺寸也變得更小。因此，發熱密度在大幅地上升。

我們必須認識到，隨著技術趨勢的變化，熱設計也變得比以前更加苛刻了。如前文所述，不僅僅對于電子設備、對于電子元器件也被要求“小型化”和“高性能化”，并要求具有“設計性”，因此熱對策成為了一項重大課題。熱設計與設備的可靠性和安全性、以及總體成本削減都有關系，因此其重要性在不斷提高。

技術趨勢的變化和熱設計

近年來，技術趨勢的焦點是“小型化”、“高性能化”、“設計性”。接下來會闡述這些技術趨勢將會對熱和熱設計帶來什么影響。

“小型化”

隨著電子設備的小型化要求，IC、貼裝基板、以及電容器等其他器件的小型化也在不斷地發展。在半導體器件的小型化中，例如，以往封入 TO220 那樣較大的通孔封裝中的 IC 芯片，被封入小型貼片封裝中的情況，現如今并不少見。

另外，不斷涌現出提高集成度的新方法。例如，把多個芯片封裝在同一個模塊里，或者把多種功能高度集成到同一個芯片上，從而提高功能-面積比。如上所述的器件小型化和高度集成化，會加劇發熱。

下圖是封裝小型化的示意圖。在熱成像圖中，左右兩側器件的功耗相同，左側為20×20×20mm封裝，右側為10×10×10mm封裝。可以很明顯地看出在小封裝中，表示高溫的紅色部分更加集中，也就是說，小封裝的發熱較大。

之后是高度集成化的例子。在相同尺寸的基板上，對比了搭載1 個器件（左側）和搭載 2 個器件（右側）的情況，可以看出溫度的差異非常明顯。

進一步地，把小型化、高度集成化的器件，在小型化的基板上，進行高密度、并且雙面貼裝的情況也在發生。

在高密度貼裝中，貼片封裝的器件向基板進行散熱的有效散熱范圍變少，從而導致發熱加劇。當機殼內部的環境溫度變高時，可以進行耗散的熱量將會減少。結果導致以往只在發熱器件的周圍產生高溫，如今基板整體都會變成高溫。這樣一來，就連發熱量較少的器件的溫度也會上升。

“高性能化”

為了提高電子設備的性能，經常需要增加電子元器件、使用集成度更高和性能更好的 IC，進一步地需要進行信號的高速處理、以及信號的高頻化處理等。以上做法通常會增加功耗，結果導致發熱量增加。另外，在高頻應用中，為了抑制輻射噪聲，很多時候會使用屏蔽。在屏蔽內部熱量會發生聚集，因此對于屏蔽內部的器件來說，溫度條件會發生惡化。進一步地，以提高性能為理由來增大設備的尺寸通常是比較難的，因此會變成如前文所述的高密度貼裝狀態，機殼內部的溫度會變高。

“設計性”

為了實現產品差異化和美學宣傳，重視設計性的產品、進一步地以設計性優先的產品變得越來越多。這樣做的弊端，是由于過度的高密度貼裝、或者由于沒能實現合適的散熱，使得機殼溫度過高從而發生問題。器件為了提高設計性、即提高外形的自由度，會如前文所述做小型化或者低背化的對應，更進一步地以設計性優先的情況也很多。

如前所述，隨著“小型化”、“高性能化”、“設計性”的技術趨勢的發展變化，元器件的發熱量增加了，散熱卻反而變得更加困難了。因此，熱設計的條件和要求更加苛刻了。這些確實是比較大的問題，但是除此之外，還有一點需要討論。

一般來說，在設計電子設備時，對于需要遵守的熱設計要求，公司都會有相關的評價標準。如果該評價標準已經過時，沒能根據現在的技術趨勢進行重新評估，那么該標準本身就會成為問題。當不進行相關討論導致所遵守的標準是沒有考慮現狀的標準時，有可能會產生較大的問題。

為了應對技術趨勢的變化，也需要對熱設計的評價標準進行重新評估。

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