電子設(shè)備中半導(dǎo)體元器件技術(shù)發(fā)展趨勢的變化和熱設(shè)計

上一篇文章中我們以“什么是熱設(shè)計”為標(biāo)題，大致介紹了半導(dǎo)體元器件熱設(shè)計的重要性。本文我們希望就半導(dǎo)體元器件的熱設(shè)計再進(jìn)行一些具體說明。

技術(shù)發(fā)展趨勢的變化和熱設(shè)計

近年來，“小型化”、“高功能化”、“設(shè)計靈活性”已經(jīng)成為半導(dǎo)體元器件技術(shù)發(fā)展趨勢。在此我們需要考慮的是半導(dǎo)體元器件的這些趨勢將對熱和熱設(shè)計產(chǎn)生怎樣的影響。

“小型化”

產(chǎn)品的小型化需求，推動了IC、安裝電路板、其他電容器等元器件的小型化。在半導(dǎo)體元器件的小型化進(jìn)程中，例如封裝在以往TO-220之類的通孔插裝型較大封裝中的IC芯片，如今封裝在小得多的表面貼裝型封裝中的情況并不少見。

而且，還采用了一些提高集成度的方法。例如將同一封裝中搭載的IC芯片調(diào)整為2個將其雙重化，或者通過放入相當(dāng)于2個芯片的芯片來提高集成度，從而增加單位面積的功能（功能面積比）。

這樣的元器件小型化和高度集成，將會使發(fā)熱量增加。實例如下所示。左側(cè)的熱圖像是封裝小型化的示例，是功耗相同的20×20×20mm封裝和10×10×10mm封裝的比較示例。很明顯，較小封裝中表示高溫的紅色更為集中，即發(fā)熱量更大。右側(cè)為高集成度的示例，對相同尺寸封裝中使用1枚芯片和2枚芯片的產(chǎn)品進(jìn)行對比時，可以明顯看到溫度的差異也非常明顯。

而且還進(jìn)行了高密度安裝，即將小型化、高度集成后的元器件高密度且雙面安裝在小型電路板上，然后將電路板裝滿殼體。

高密度安裝減少了散熱到電路板上的表面貼裝型器件的有效散熱范圍，發(fā)熱量增加。若殼體內(nèi)的環(huán)境溫度較高，可以散發(fā)的熱量會減少。從結(jié)果來看，雖然原來只有發(fā)熱元器件周圍為高溫，但現(xiàn)在整個電路板都呈高溫狀態(tài)。這甚至導(dǎo)致發(fā)熱量較小的元器件溫度升高。

要想提高設(shè)備的功能，需要增加元器件，或使用集成規(guī)模更大、能力更高IC，并且還需要提高數(shù)據(jù)的處理速度、提高信號的頻率等。這些方法使功耗呈日益增加趨勢，最終導(dǎo)致發(fā)熱量增加。此外，在處理高頻時，為了抑制噪聲輻射，很多情況需要進(jìn)行屏蔽處理。由于熱量會蓄積在屏蔽層內(nèi)，因此對于屏蔽層內(nèi)的元器件而言，溫度條件變得更差。而且很難以提高功能為理由而擴(kuò)大設(shè)備尺寸，因此會變成上述的高密度狀態(tài)，從而導(dǎo)致殼體內(nèi)的溫度升高。

“設(shè)計靈活性”

為了使產(chǎn)品與眾不同或體現(xiàn)美感，越來越多的產(chǎn)品開始重視設(shè)計性，甚至優(yōu)先考慮設(shè)計靈活性。其弊端在于，由于過度地高密度安裝和無法合理散熱而導(dǎo)致殼體出現(xiàn)高溫的情況。簡而言之，就是手拿著便攜設(shè)備，會覺得很燙。為了提高元器件的設(shè)計靈活性，即外形的自由度，如上所述可采用小型或扁平的產(chǎn)品，但是更加優(yōu)先考慮設(shè)計靈活性的產(chǎn)品不在少數(shù)。

問題不僅僅在于發(fā)熱量增加和散熱困難

如上所述，由于“小型化”、“高功能化”、“設(shè)計靈活性”這三種技術(shù)發(fā)展趨勢的變化，已經(jīng)導(dǎo)致發(fā)熱量增加，相應(yīng)地，散熱也變得更難。因此熱設(shè)計面臨著更嚴(yán)苛的條件和要求。確實這是一個非常大的問題，但同時還有一個問題需要我們?nèi)タ剂俊?/p>

多數(shù)情況下公司的設(shè)備設(shè)計中都設(shè)置了對熱設(shè)計的評估標(biāo)準(zhǔn)。如果該評估標(biāo)準(zhǔn)比較老舊，未考慮到最近的技術(shù)發(fā)展趨勢并重新進(jìn)行修改，那么該評估標(biāo)準(zhǔn)本身就存在問題。若未進(jìn)行此類考量，且根據(jù)未考慮到現(xiàn)狀的評估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，則可能會發(fā)生非常嚴(yán)重的問題。

為了應(yīng)對技術(shù)發(fā)展趨勢的變化，需要對熱設(shè)計的評估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新修訂。

審核編輯黃宇