要節(jié)能，為什么先要做好電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)？

隨著電子產(chǎn)品小型化、智能化、多樣化的發(fā)展，給產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)帶來(lái)了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一方面，隨著邊緣計(jì)算和人工智能的發(fā)展，讓算力更為密集；另一方面，隨著雙碳目標(biāo)迫近，對(duì)于功率等級(jí)要求也持續(xù)提高；因此單一設(shè)備的功率密度正在不斷攀升，熱功率也相應(yīng)的隨之提高，而熱設(shè)計(jì)也就受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

熱設(shè)計(jì)的必要性和挑戰(zhàn)

所謂熱設(shè)計(jì)（Thermal Design），是指在工程設(shè)計(jì)中考慮和優(yōu)化熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流等熱學(xué)因素的過(guò)程。它主要涉及如何有效地管理和控制熱量，以確保設(shè)備、系統(tǒng)或產(chǎn)品在運(yùn)行時(shí)能夠正常工作并滿足性能要求。

熱設(shè)計(jì)通常應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括電子設(shè)備、汽車、航空航天、能源系統(tǒng)等。在這些應(yīng)用中，熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)是防止過(guò)熱或過(guò)冷，維持適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟确秶?，以避免設(shè)備損壞、性能下降或故障。

圖1：電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的重要性

（圖源：GEC研究院）

如上圖所示，從芯片角度來(lái)看，根據(jù)GEC研究院的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)壽命會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)溫度提升而大幅降低，失效率加速。從系統(tǒng)角度來(lái)看，根據(jù)美國(guó)空軍航空電子整體研究項(xiàng)目的結(jié)論，55%的設(shè)備故障原因來(lái)自于溫度因素。

因此溫度可以說(shuō)是電子設(shè)備的第一大殺手，設(shè)備的電氣性能和熱分布會(huì)相互影響：溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電子產(chǎn)品的絕緣性能退化，電阻降低，材料老化；像處理器、變壓器等芯片，高溫會(huì)使其性能下降；進(jìn)一步的高溫會(huì)造成元器件功能失效。

不良的熱設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生更多高電流浪涌，導(dǎo)致系統(tǒng)中被引入了主要芯片之外的額外熱源。為了處理好這些不利熱點(diǎn)的影響，保證產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行，就不得不額外增加溫度控制功能，從而增加了額外的能耗。做好熱設(shè)計(jì)，不但能讓產(chǎn)品更穩(wěn)定，也是系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵一環(huán)。

熱設(shè)計(jì)軟件制造商Future Facilities（已于2022年被Cadence收購(gòu)）的研究發(fā)現(xiàn)，新的熱設(shè)計(jì)重點(diǎn)將主要由人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G和邊緣計(jì)算等技術(shù)推動(dòng)。Future Facilities產(chǎn)品經(jīng)理Chris Aldham曾表示：

過(guò)去幾年技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致工程師看待熱設(shè)計(jì)的方式發(fā)生了前所未有的變化。人工智能、5G、邊緣計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的引入都對(duì)電子產(chǎn)品的運(yùn)行方式和地點(diǎn)產(chǎn)生了重大影響，而這反過(guò)來(lái)又意味著從熱學(xué)角度需要考慮一系列新的因素。

圖2：電源系統(tǒng)性能和熱管理息息相關(guān)

（圖源：Molex)

當(dāng)前對(duì)于電子產(chǎn)品而言，熱設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)來(lái)自方方面面。

1

小型化

小型化帶來(lái)的計(jì)算密度和功率密度的提升，而且小型化同時(shí)也就意味著需要盡量采用無(wú)風(fēng)扇或者小型風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，這直接對(duì)于系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

2

信號(hào)傳輸

系統(tǒng)中的信號(hào)處理速度越來(lái)越快，這種高速信號(hào)的傳輸和處理也會(huì)產(chǎn)生更多的熱量。

3

屏蔽設(shè)計(jì)

當(dāng)前的系統(tǒng)中，為了保證信號(hào)的完整性會(huì)采用更多的屏蔽設(shè)計(jì)，這種屏蔽設(shè)計(jì)本身對(duì)于散熱就產(chǎn)生了不利的影響。

而上述提到的挑戰(zhàn)僅僅來(lái)自于設(shè)備內(nèi)部，還有更過(guò)設(shè)備外部環(huán)境因素需要考慮：像數(shù)據(jù)中心、儲(chǔ)能站等設(shè)備排布密集的工作環(huán)境，各個(gè)設(shè)備之間相互的熱輻射就很大；而一些高海拔地區(qū)的設(shè)備，由于工作環(huán)境空氣稀薄，因此對(duì)于設(shè)備散熱要求也就更高。

再深入到芯片設(shè)計(jì)的領(lǐng)域來(lái)看熱量管理的挑戰(zhàn)：為了維持單位面積上算力的提升，3D封裝芯片成為芯片設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。而這種3D堆疊的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生高熱阻，且在不同芯片功耗不均勻情況下更易導(dǎo)致熱點(diǎn)、高溫梯度和熱應(yīng)力等熱問題。硅通孔(TSV)被認(rèn)為是降低3D IC溫度的有效手段，因此被廣泛使用。

圖3：3D封裝芯片內(nèi)部金屬互聯(lián)結(jié)構(gòu)的溫度分布圖（圖源：Cadence)

傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō)熱設(shè)計(jì)是一門小眾的細(xì)分領(lǐng)域，通常是由具備熱傳遞知識(shí)背景的機(jī)械工程師，為所有的業(yè)務(wù)部門提供熱設(shè)計(jì)服務(wù)。

在那時(shí)候熱設(shè)計(jì)更多和機(jī)械部分相關(guān)，和電子部分是分開獨(dú)立進(jìn)行的。而在現(xiàn)在，隨著設(shè)備越來(lái)越小型化和高功能化，熱設(shè)計(jì)與整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性表現(xiàn)愈發(fā)密切，需要從產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行熱設(shè)計(jì)的考量。熱設(shè)計(jì)工程師除了必備熱知識(shí)背景外，還應(yīng)具備機(jī)械、電氣和電子背景，能夠熟練使用EDA設(shè)計(jì)工具和各種仿真工具，與電子設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)并行進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。

圖4：各設(shè)計(jì)部門共同減少發(fā)熱量，
減少試生產(chǎn)次數(shù)

（圖源：ROHM Semiconductor)

好的熱設(shè)計(jì)，從選型開始

芯片廠商同樣需要重視熱量管理，通過(guò)優(yōu)化芯片熱性能可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功率密度的突破。

1

工藝制程創(chuàng)新

首先是通過(guò)工藝制程的創(chuàng)新來(lái)增強(qiáng)熱性能。例如在減少芯片體積的同時(shí)盡量減少功率器件的導(dǎo)通電阻；或通過(guò)新的工藝節(jié)點(diǎn)來(lái)優(yōu)化引腳布局并提供額外接地等。

2

芯片設(shè)計(jì)

其次在芯片設(shè)計(jì)方面，可以將溫度監(jiān)控功能集成到關(guān)鍵芯片的內(nèi)部，通過(guò)高效的開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同工作負(fù)載下的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，為高度集成的電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更高的功率。在封裝方面，可以通過(guò)創(chuàng)新的封裝方式，例如加大引腳面積、優(yōu)化引腳材質(zhì)和設(shè)計(jì)等，來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片更高的散熱效率。

3

方案設(shè)計(jì)

從方案設(shè)計(jì)角度來(lái)看，要優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)路徑。例如像一些頂部散熱功率芯片，近年來(lái)也逐漸流行，選擇此類芯片能夠減少熱量向PCB的直接傳導(dǎo)，通過(guò)芯片頂部直接將熱量輻射或傳導(dǎo)到設(shè)備外殼外。

圖5：Apple申請(qǐng)的自適應(yīng)熱控制系統(tǒng)專利

（圖源：https://appft1.uspto.gov)

總體而言，好的熱設(shè)計(jì)需要從系統(tǒng)整體來(lái)考慮，從芯片選型的階段就將熱設(shè)計(jì)目標(biāo)考慮在內(nèi)。芯片、連接器和PCB都要根據(jù)整體的熱指標(biāo)來(lái)進(jìn)行選擇或設(shè)計(jì)，其中連接器等接插件的好壞對(duì)熱設(shè)計(jì)非常重要，選擇具有良好熱管理的連接器芯片，能夠直接幫助優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)。

接下來(lái)，就為大家推薦幾款來(lái)自Molex的具有優(yōu)秀熱設(shè)計(jì)特點(diǎn)的連接器產(chǎn)品。

首先在電源連接器的選擇上，可以考慮Molex的PowerWize大電流互連系統(tǒng)。這是一款大電流線對(duì)板/線對(duì)母線互連系統(tǒng)，雙電路插頭和插座外殼提供兩種尺寸：6mm（額定電流高達(dá)120A）和8mm（額定電流高達(dá)175A）。

熱設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)在于該器件采用低接觸電阻和低壓降設(shè)計(jì)，極大限度地減少了觸點(diǎn)接口的熱量生成。此外，更高的額定電流和更緊湊的外形設(shè)計(jì)，也就意味著該器件能夠支持更高功率密度的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。我們推薦的具體產(chǎn)品為該系列中的重負(fù)荷電源連接器，可以在貿(mào)澤電子搜索“204608-0001”獲取更多詳情。

圖6：Molex的PowerWize大電流互連系統(tǒng)

（圖源：貿(mào)澤電子)

對(duì)于熱設(shè)計(jì)而言，熱敏電阻是必不可少的熱管理器件之一。Molex提供的NTC熱敏電阻探頭采用了獨(dú)特的柔性設(shè)計(jì)，能夠適用于在難以觸及的位置提供準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)。

此外，該器件提供了高達(dá)1.5KV_AC的介電耐壓，能夠持續(xù)3秒；在500V_DC時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)100MΩ的絕緣電阻；正常工作溫度范圍支持-40°C至250°C。良好的抗高壓和寬廣的溫度范圍支持其在任何嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)中正常工作。

在設(shè)計(jì)自由度方面，該器件預(yù)留可直接焊接到PCB板并裝配到接線板的自由端電線，這些末端電線還可壓接到端子上，并與連接器一起使用，從而為設(shè)計(jì)人員提供了更多靈活的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。關(guān)于此器件，我們推薦的具體產(chǎn)品型號(hào)在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上的料號(hào)為“218535-3609”。

圖7：Molex NTC熱敏電阻探頭

（圖源：Molex)

最后再給大家推薦一款同樣是來(lái)自Molex的連接器——VersaBlade線對(duì)線連接器系統(tǒng)。該器件能夠在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)300V和15.0A的可靠信號(hào)和電源傳輸，并具有防止誤插配和導(dǎo)致信號(hào)故障的特性。

在散熱設(shè)計(jì)方面，該器件采用了雙排系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有助于加速散熱并實(shí)現(xiàn)較小的結(jié)合力。此外，具有灼熱絲功能的外殼符合全球安全和環(huán)保要求。我們推薦的具體產(chǎn)品型號(hào)在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上的料號(hào)為“35180-3609”。

圖8：Molex VersaBlade線對(duì)線連接器系統(tǒng)

（圖源：Molex)

結(jié)語(yǔ)

隨著產(chǎn)品功能要求的不斷提升，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部元器件貼裝更為密集，發(fā)熱量也隨著計(jì)算和功率密度同步增加，散熱設(shè)計(jì)卻因?yàn)樵O(shè)備外型限制而變得更加困難。因此，要實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的熱設(shè)計(jì)，提高整個(gè)設(shè)備的熱效率，要盡早開始著手考慮，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的原型階段，就要開始規(guī)劃系統(tǒng)整體的散熱策略，并在器件選型過(guò)程中，就充分考慮整個(gè)系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)于單一器件的熱功率要求。好的熱設(shè)計(jì)，應(yīng)從器件選型開始。

Molex相關(guān)技術(shù)資源

PowerWize大電流互連系統(tǒng)，了解詳情>>

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VersaBlade線對(duì)線連接器系統(tǒng)，了解詳情>>

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