單板熱設(shè)計培訓(xùn)教材
整機(jī)工程部熱技術(shù)研究部 HUAWEI

提綱
一、熱設(shè)計基礎(chǔ)知識
1、熱量傳遞的三種基本方式
2、熱阻的概念
二、器件熱特性
1、認(rèn)識器件熱阻
2、典型器件封裝散熱特性
3、單板器件的散熱路徑
三、散熱器介紹
四、導(dǎo)熱介質(zhì)介紹
五、單板強(qiáng)化散熱措施
1、PWB熱特性
2、PWB強(qiáng)化散熱措施
六、單板布局原則

熱設(shè)計培訓(xùn)資料下載：華為單板熱設(shè)計培訓(xùn)教材.pdf

一、熱設(shè)計基礎(chǔ)知識

熱量的傳遞有導(dǎo)熱，對流換熱及輻射換熱三種方式。在終端設(shè)備散 熱過程中，這三種方式都有發(fā)生。三種傳熱方式傳遞的熱量分別由以下 公式計算
Fourier導(dǎo)熱公式：Q=λA(Th -Tc )/δ
Newton對流換熱公式：Q=αA(Tw -Tair )
輻射4次方定律：Q=5.67e-8*εA(Th4-Tc4)
其中λ、α、ε分別為導(dǎo)熱系數(shù)，對流換熱系數(shù)及表面的發(fā)射率，A是 換熱面積。

1、熱量傳遞的三種基本方式
 導(dǎo)熱: 物體各部分之間不發(fā)生相 對位移時，依靠分子、原子及 自由電子等微觀例子的熱運(yùn)動 而產(chǎn)生的熱量稱為導(dǎo)熱。例 如，固體內(nèi)部的熱量傳遞和不 同固體通過接觸面的熱量傳遞 都是導(dǎo)熱現(xiàn)象。芯片向殼體外 部傳遞熱量主要就是通過導(dǎo)熱。

導(dǎo)熱過程中傳遞的熱量按照Fourier導(dǎo)熱定律計算：
Q=λA(Th-Tc)/δ
其中：A 為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2;
Th 與Tc 分別為高溫與低溫面的溫度，
δ為兩個面之間的距離，單位為m。
λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m*℃），表示了該材料導(dǎo)熱能 力的大小。一般說，固體的導(dǎo)熱系數(shù)大于液體，液體的大于氣體。例如 常溫下純銅的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)400 W/(m*℃），純鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為236 W/(m*℃），水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.6 W/(m*℃），而空氣僅0.025W/(m*℃） 左右。鋁的導(dǎo)熱系數(shù)高且密度低，所以散熱器基本都采用鋁合金加工， 但在一些大功率芯片散熱中，為了提升散熱性能，常采用鋁散熱器嵌銅 塊或者銅散熱器。熱設(shè)計 http://m.aji87.cn

對流換熱
對流換熱是指運(yùn)動著的流體流經(jīng)溫度與之不同的固體表面時與固體 表面之間發(fā)生的熱量交換過程，這是通信設(shè)備散熱中中應(yīng)用最廣的一種 換熱方式。根據(jù)流動的起因不同，對流換熱可以分為強(qiáng)制對流換熱和自 然對流換熱兩類。前者是由于泵、風(fēng)機(jī)或其他外部動力源所造成的，而 后者通常是由于流體自身溫度場的不均勻性造成不均勻的密度場，由此 產(chǎn)生的浮升力成為運(yùn)動的動力。
機(jī)柜中通常采用的風(fēng)扇冷卻散熱就是最典型的強(qiáng)制對流換熱。在終 端產(chǎn)品中主要是自然對流換熱。自然對流散熱分為大空間自然對流（例 如終端外殼和外界空氣間的換熱）和有限空間自然對流（例如終端內(nèi)的 單板和終端內(nèi)的空氣）。值得注意的是，當(dāng)終端外殼與單板的距離小于 一定值時，就無法形成自然對流，例如手機(jī)的單板與外殼之間就只是以 空氣為介質(zhì)的熱傳導(dǎo)。

對流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計算：
Q=hA(Tw -Tair )
其中：A 為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2 ;
Th 與Tc 分別為固體壁面與流體的溫度，h是對流換熱系數(shù)，自然對流時換熱系數(shù)在1～10W/(℃*m2)量級，實(shí) 際應(yīng)用時一般不會超過3～5W/(℃*m2)；強(qiáng)制對流時換熱系數(shù)在10～ 100W/(℃*m2)量級，實(shí)際應(yīng)用時一般不會超過30W/(℃*m2）。

熱輻射
輻射是通過電磁波來傳遞能量的過程，熱輻射是由于物體的溫度高于絕對零 度時發(fā)出電磁波的過程，兩個物體之間通過熱輻射傳遞熱量稱為輻射換熱。物體 的輻射力計算公式為：
E＝5.67e-8εT4
物體表面之間的熱輻射計算是極為復(fù)雜的，其中最簡單的兩個面積相同且 正對著的表面間的輻射換熱量計算公式為：
Q＝A*5.67e-8/(1/εh +1/εc -1)*(Th4-Tc4)
公式中T指的是物體的絕對溫度值＝攝氏溫度值＋273.15；ε是表面的黑度或發(fā) 射率，該值取決于物質(zhì)種類，表面溫度和表面狀況，與外界條件無關(guān)，也與顏色 無關(guān)。磨光的鋁表面的黑度為0.04,氧化的鋁表面的黑度為0.3，油漆表面的黑度 達(dá)到0.8，雪的黑度為0.8。
由于輻射換熱不是線性關(guān)系，當(dāng)環(huán)境溫度升高時，終端的溫度與環(huán)境的相 同溫差條件下會散去更多的熱量。

塑料外殼表面噴漆，PWB表面會涂敷綠油，表面黑度都可以達(dá)到 0.8，這些都有利于輻射散熱。對于金屬外殼，可以進(jìn)行一些表面處理 來提高黑度，強(qiáng)化散熱。
對輻射散熱一個最大錯誤認(rèn)識是認(rèn)為黑色可以強(qiáng)化熱輻射，通常散 熱器表面黑色處理也助長了這種認(rèn)識。實(shí)際上物體溫度低于1800℃時， 有意義的熱輻射波長位于0.38~100μm之間，且大部分能量位于紅外波 段0.76~20μm范圍內(nèi)，在可見光波段內(nèi)，熱輻射能量比重并不大。顏色 只與可見光吸收相關(guān)，與紅外輻射無關(guān)，夏天人們穿淺色的衣服降低太 陽光中的可見光輻射吸收。因此終端內(nèi)部可以隨意涂敷各種顏色的漆。

2、熱阻的概念
對導(dǎo)熱和對流換熱的公式進(jìn)行變換：
Fourier導(dǎo)熱公式：Q=λA(Th-Tc)/δ Q=(Th－Tc)/[δ/(λA)]
Newton對流換熱公式：Q=αA(Tw-Tair) Q=(Tw-Tair)/(1/αA)
熱量傳遞過程中，溫度差是過程的動力，好象電學(xué)中的電壓，換熱 量是被傳遞的量，好像電學(xué)中的電流，因而上式中的分母可以用電學(xué)中 的電阻概念來理解成導(dǎo)熱過程的阻力，稱為熱阻（thermal resistance）， 單位為℃/W, 其物理意義就是傳遞1W 的熱量需要多少度溫差。在熱設(shè) 計中將熱阻標(biāo)記為R或θ。δ/(λA)是導(dǎo)熱熱阻，1/αA是對流換熱熱阻。 器件的資料中一般都會提供器件的Rjc和Rja熱阻，Rjc是器件的結(jié)到殼的 導(dǎo)熱熱阻；Rja是器件的結(jié)到殼導(dǎo)熱熱阻和殼與外界環(huán)境的對流換熱熱阻 之和。這些熱阻參數(shù)可以根據(jù)實(shí)驗測試獲得，也可以根據(jù)詳細(xì)的器件內(nèi) 部結(jié)構(gòu)計算得到。根據(jù)這些熱阻參數(shù)和器件的熱耗，就可以計算得到器 件的結(jié)溫。
兩個名義上相接觸的固體表面， 實(shí)際上接觸僅發(fā)生在一些離散的面積 元上，如右圖所示，在未接觸的界面 之間的間隙中常充滿了空氣，熱量將 以導(dǎo)熱和輻射的方式穿過該間隙層， 與理想中真正完全接觸相比，這種附 加的熱傳遞阻力稱為接觸熱阻。降低 接觸熱阻的方法主要是增加接觸壓力 和增加界面材料（如硅脂）填充界面 間的空氣。在涉及熱傳導(dǎo)時，一定不 能忽視接觸熱阻的影響，需要根據(jù)應(yīng) 用情況選擇合適的導(dǎo)熱界面材料，如 導(dǎo)熱脂、導(dǎo)熱膜、導(dǎo)熱墊等。

二、器件熱特性
1、認(rèn)識器件熱阻
JEDEC芯片封裝的熱性能參數(shù)：
熱阻參數(shù)
?
θja ，結(jié)（即芯片）到空氣環(huán)境的熱阻：θja =(Tj -Ta )/P
?
θjc ，結(jié)（即芯片）到封裝外殼的熱阻：θjc =(Tj -Tc )/P
?
θjb ，結(jié)（即芯片）到PCB的熱阻：θjb =(Tj -Tb )/P
熱性能參數(shù)
?
ψjt ，結(jié)到封裝頂部的熱參數(shù)： ψjt =(Tj -Tt )/P
?
ψjb ，結(jié)到封裝底部的熱參數(shù)： ψjb =(Tj -Tb )/P
Tj ——芯片結(jié)溫，℃
Ta ——空氣環(huán)境溫度，℃
Tb ——芯片根部PCB表面溫度，℃
Tt ——芯片表面溫度，℃
θja 熱阻參數(shù)是封裝的品質(zhì)度量(Figure of Merit)，并非 Application-specific，θja 的正確的應(yīng)用只能是芯片封裝的熱性能品質(zhì)參數(shù) （用于性能好壞等級的比較），不能應(yīng)用于實(shí)際測試/分析中的結(jié)溫預(yù)計分析。
從90年代起，相對于θja 人們更需要對實(shí)際工程師預(yù)計芯片溫度有價值 的熱參數(shù)。適應(yīng)此要求而出現(xiàn)三個新參數(shù)： θjb 、ψjt 和ψjb 。
ψjb 可適當(dāng)?shù)倪\(yùn)用于熱分析中的結(jié)溫分析
ψjt 可適當(dāng)運(yùn)用于實(shí)際產(chǎn)品熱測試中的結(jié)溫預(yù)計。
θjc 是結(jié)到封裝表面離結(jié)最近點(diǎn)的熱阻值。 θjc 測量中設(shè)法使得熱流 “全部”由封裝外殼通過。
? ψjt 與θjc 完全不同，并非是器件的熱阻值，只是個數(shù)學(xué)構(gòu)造物，只是結(jié) 到TOP的熱特征參數(shù)，因為不是所有熱量都是通過封裝頂部散出的。
? 實(shí)際應(yīng)用中， ψjt 對于由芯片封裝上表面測試溫度來估計結(jié)溫有有限的 參考價值。
? θjb :用來比較裝于板上表面安裝芯片封裝熱性能的品質(zhì)參數(shù)(Figure of Merit)，針對的是2s2p PCB，不適用板上有不均勻熱流的芯片封裝。
? θjb 與ψjb 有本質(zhì)區(qū)別， θjb ＞ ψjb 。與ψjt 同理， ψjb 為結(jié)到PCB的 熱特征參數(shù)。

2、典型器件封裝散熱特性
普通SOP封裝散熱性能很差，影響SOP封裝散熱的因素分外因和內(nèi)因，其中內(nèi) 因是影響SOP散熱的關(guān)鍵。影響散熱的外因是器件管腳與PWB的傳熱熱阻和器件 上表面與環(huán)境的對流散熱熱阻。內(nèi)因源于SOP封裝本身很高傳熱熱阻。SOP封裝散 熱主要通過三個途徑：
1)die的熱量通過封裝材料（mold compound）傳導(dǎo)到器件上表面然后對流散熱，低 導(dǎo)熱的封裝材料影響傳熱。
2)die熱量通過pad、封裝材料和器件底面與PWB之間的空氣層后，遞到PWB散 熱，低導(dǎo)熱的封裝材料和空氣層影響傳熱。
3)die熱量通過lead Frame傳遞到PWB，lead frame和die之間是極細(xì)的鍵合線 （golden wire），因此die和leadframe之間存在很大的導(dǎo)熱熱阻，限制了管腳散熱。

影響PBGA Rjc和Rja熱阻的因素有很多，從重要程度看依次是：
1）thermal ball的個數(shù)
2）die的尺寸
3）substrate的結(jié)構(gòu)，包括銅皮層數(shù)，銅皮厚度
4）die attachment 材料的導(dǎo)熱系數(shù)
5）gold wire的直徑
6）PWB上導(dǎo)熱過孔的數(shù)量。
其中，前5個因素與器件本身的設(shè)計相關(guān)，因素6與PWB設(shè)計相關(guān)

案例：不要被表面的金屬欺騙
一些PBGA芯片在表面貼銅塊強(qiáng)化散熱，由于mold的導(dǎo)熱系數(shù)很低，該金 屬封裝表面仍為輔助散熱，關(guān)鍵散熱路徑仍在封裝的底部。
需要了解器件內(nèi)部的封裝結(jié)構(gòu)選擇散熱方案！
熱量傳遞方式：
Die的熱量傳遞 給上表面的銅 塊，部分熱量通 過銅塊傳遞到環(huán) 境中；另外部分 熱量通過銅塊依 次傳遞給芯片的 基板、焊球、 PWB后，通過 PWB散熱。
當(dāng)FC－BGA封裝熱耗在1～6W時，可以采用直接強(qiáng)迫對流散 熱，Rja的范圍在8～12℃/W；當(dāng)熱耗在4～10W時，需要加散熱器 強(qiáng)化散熱，Rja的范圍在5～10℃/W；當(dāng)熱耗為8～25W時，需要高 端的散熱器配合合適的風(fēng)道來進(jìn)行強(qiáng)化散熱。
TO器件的散熱往往需要較大的的銅皮， 那么對于面積緊張的單板如何來實(shí)現(xiàn)？
按重要程度依次為：
1）過孔
2）單板的層結(jié)構(gòu)（地層或者電源層的位置）
3）地層或者電源層的銅皮厚度
4）焊盤厚度

好的單板散熱方案必須針對器件的散熱特性進(jìn)行設(shè)計!
? THD器件的管腳數(shù)量少，焊接后封裝也不緊貼單板，與單板的熱關(guān)聯(lián)性很 小，該類器件的熱量都是通過器件表面散到環(huán)境中。因此早期的器件散熱研究 比較注重于器件表面的空氣流動，以期獲得比較高的器件表面對流換熱系數(shù)。
? SMD器件集成度高，熱耗也大，是散熱關(guān)注的重點(diǎn)。該類器件的管腳/焊 球數(shù)量多，焊接后封裝也緊貼單板，與單板建立起緊密的換熱聯(lián)系，散熱方案 必須從單板整體散熱的角度進(jìn)行分析。SMD器件針對散熱需求也出現(xiàn)了多種強(qiáng) 化散熱的封裝，這些封裝的種類繁多，但從散熱角度進(jìn)行歸納分類，以引腳封 裝和焊球封裝最為典型，其它封裝的散熱特性可以參考這兩種類推。
?
PGA類的針狀管腳器件基本忽略單板散熱，以表面散熱為主，例如CPU等。
熱設(shè)計 http://m.aji87.cn 

標(biāo)簽： 點(diǎn)擊： 評論: