單板熱設(shè)計(jì)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(jì)基礎(chǔ)知識(shí)
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(shí)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

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一、熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

熱量的傳遞有導(dǎo)熱，對(duì)流換熱及輻射換熱三種方式。在終端設(shè)備散 熱過(guò)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(jì)算
Fourier導(dǎo)熱公式：Q=λA(Th -Tc )/δ
Newton對(duì)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(duì)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(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及 自由電子等微觀例子的熱運(yùn)動(dòng) 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(guò)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(guò)導(dǎo)熱。

導(dǎo)熱過(guò)程中傳遞的熱量按照Fourier導(dǎo)熱定律計(jì)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(gè)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(shuō)，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(jì) http://www.0532yewu.com

對(duì)流換熱
對(duì)流換熱是指運(yùn)動(dòng)著的流體流經(jīng)溫度與之不同的固體表面時(shí)與固體 表面之間發(fā)生的熱量交換過(guò)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(dòng)的起因不同，對(duì)流換熱可以分為強(qiáng)制對(duì)流換熱和自 然對(duì)流換熱兩類。前者是由于泵、風(fēng)機(jī)或其他外部動(dòng)力源所造成的，而 后者通常是由于流體自身溫度場(chǎng)的不均勻性造成不均勻的密度場(chǎng)，由此 產(chǎn)生的浮升力成為運(yùn)動(dòng)的動(dòng)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(duì)流換熱。在終 端產(chǎn)品中主要是自然對(duì)流換熱。自然對(duì)流散熱分為大空間自然對(duì)流（例 如終端外殼和外界空氣間的換熱）和有限空間自然對(duì)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(shí)，就無(wú)法形成自然對(duì)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(duì)流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計(jì)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(duì)流換熱系數(shù)，自然對(duì)流時(shí)換熱系數(shù)在1～10W/(℃*m2)量級(jí)，實(shí) 際應(yīng)用時(shí)一般不會(huì)超過(guò)3～5W/(℃*m2)；強(qiáng)制對(duì)流時(shí)換熱系數(shù)在10～ 100W/(℃*m2)量級(jí)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般不會(huì)超過(guò)30W/(℃*m2）。

熱輻射
輻射是通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的過(guò)程，熱輻射是由于物體的溫度高于絕對(duì)零 度時(shí)發(fā)出電磁波的過(guò)程，兩個(gè)物體之間通過(guò)熱輻射傳遞熱量稱為輻射換熱。物體 的輻射力計(jì)算公式為：
E＝5.67e-8εT4
物體表面之間的熱輻射計(jì)算是極為復(fù)雜的，其中最簡(jiǎn)單的兩個(gè)面積相同且 正對(duì)著的表面間的輻射換熱量計(jì)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(duì)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(wú)關(guān)，也與顏色 無(wú)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(shí)，終端的溫度與環(huán)境的相 同溫差條件下會(huì)散去更多的熱量。

塑料外殼表面噴漆，PWB表面會(huì)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(duì)于金屬外殼，可以進(jìn)行一些表面處理 來(lái)提高黑度，強(qiáng)化散熱。
對(duì)輻射散熱一個(gè)最大錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)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(zhǎng)了這種認(rèn)識(shí)。實(shí)際上物體溫度低于1800℃時(shí)， 有意義的熱輻射波長(zhǎng)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(jiàn)光波段內(nèi)，熱輻射能量比重并不大。顏色 只與可見(jiàn)光吸收相關(guān)，與紅外輻射無(wú)關(guān)，夏天人們穿淺色的衣服降低太 陽(yáng)光中的可見(jiàn)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(duì)導(dǎo)熱和對(duì)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(duì)流換熱公式：Q=αA(Tw-Tair) Q=(Tw-Tair)/(1/αA)
熱量傳遞過(guò)程中，溫度差是過(guò)程的動(dòng)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(lái)理解成導(dǎo)熱過(guò)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(jì)中將熱阻標(biāo)記為R或θ。δ/(λA)是導(dǎo)熱熱阻，1/αA是對(duì)流換熱熱阻。 器件的資料中一般都會(huì)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(duì)流換熱熱阻 之和。這些熱阻參數(shù)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得，也可以根據(jù)詳細(xì)的器件內(nèi) 部結(jié)構(gòu)計(jì)算得到。根據(jù)這些熱阻參數(shù)和器件的熱耗，就可以計(jì)算得到器 件的結(jié)溫。
兩個(gè)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(guò)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(shí)，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(shí)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(jí)的比較），不能應(yīng)用于實(shí)際測(cè)試/分析中的結(jié)溫預(yù)計(jì)分析。
從90年代起，相對(duì)于θja 人們更需要對(duì)實(shí)際工程師預(yù)計(jì)芯片溫度有價(jià)值 的熱參數(shù)。適應(yīng)此要求而出現(xiàn)三個(gè)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(cè)試中的結(jié)溫預(yù)計(jì)。
θjc 是結(jié)到封裝表面離結(jié)最近點(diǎn)的熱阻值。 θjc 測(cè)量中設(shè)法使得熱流 “全部”由封裝外殼通過(guò)。
? ψjt 與θjc 完全不同，并非是器件的熱阻值，只是個(gè)數(shù)學(xué)構(gòu)造物，只是結(jié) 到TOP的熱特征參數(shù)，因?yàn)椴皇撬袩崃慷际峭ㄟ^(guò)封裝頂部散出的。
? 實(shí)際應(yīng)用中， ψjt 對(duì)于由芯片封裝上表面測(cè)試溫度來(lái)估計(jì)結(jié)溫有有限的 參考價(jià)值。
? θjb :用來(lái)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(duì)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(duì)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(guò)三個(gè)途徑：
1)die的熱量通過(guò)封裝材料（mold compound）傳導(dǎo)到器件上表面然后對(duì)流散熱，低 導(dǎo)熱的封裝材料影響傳熱。
2)die熱量通過(guò)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(guò)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(gè)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(guò)孔的數(shù)量。
其中，前5個(gè)因素與器件本身的設(shè)計(jì)相關(guān)，因素6與PWB設(shè)計(jì)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(guò)銅塊傳遞到環(huán) 境中；另外部分 熱量通過(guò)銅塊依 次傳遞給芯片的 基板、焊球、 PWB后，通過(guò) PWB散熱。
當(dāng)FC－BGA封裝熱耗在1～6W時(shí)，可以采用直接強(qiáng)迫對(duì)流散 熱，Rja的范圍在8～12℃/W；當(dāng)熱耗在4～10W時(shí)，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(shí)，需要高 端的散熱器配合合適的風(fēng)道來(lái)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(duì)于面積緊張的單板如何來(lái)實(shí)現(xiàn)？
按重要程度依次為：
1）過(guò)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(duì)器件的散熱特性進(jìn)行設(shè)計(jì)!
? 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(guò)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(dòng)，以期獲得比較高的器件表面對(duì)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(duì)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。
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