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在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)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(gè)重要的課題。“熱”關(guān)系到元器件和設(shè)備的性能、可靠性以及安全性，因此一直以來都是重點(diǎn)討論的事項(xiàng)之一。本應(yīng)用筆記介紹了以在電子設(shè)備中使用的 IC 和晶體管等半導(dǎo)體元器件為前提的熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

何謂熱設(shè)計(jì)？

在半導(dǎo)體器件中，封裝內(nèi)的芯片溫度、即結(jié)溫（接合部溫度）的最大額定值被規(guī)定為 TJMAX。當(dāng)進(jìn)行電子設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮器件的發(fā)熱情況和周圍環(huán)境溫度條件，以使器件溫度不超過TJMAX。因此，對于設(shè)計(jì)中使用到的所有半導(dǎo)體器件，都需要進(jìn)行熱計(jì)算，判斷是否會超過 TJMAX。當(dāng)超過 TJMAX 時(shí)，需要采取降低功耗、重新進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)等措施，將 TJ 控制在最大額定值的范圍以內(nèi)。

當(dāng)然，在電子設(shè)備中不僅僅會用到半導(dǎo)體器件，還會用到電容器、電阻器、電機(jī)等各種各樣的電子元器件，這些元器件各自都有關(guān)于溫度、以及功耗的最大額定值。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對于構(gòu)成設(shè)備的所有電子元器件，都必須做到實(shí)際使用條件不能超過器件與溫度相關(guān)的最大額定值。

在設(shè)計(jì)初期階段進(jìn)行熱設(shè)計(jì)的必要性

如果在設(shè)計(jì)初期階段，沒有進(jìn)行熱設(shè)計(jì)并采取熱相關(guān)對策的話，有可能在產(chǎn)品的試生產(chǎn)階段，甚至在量產(chǎn)前夕，才發(fā)覺存在熱導(dǎo)致的問題。不僅僅針對熱，對于其他問題也是一樣，當(dāng)采取對策的時(shí)機(jī)越靠近量產(chǎn)，則花費(fèi)的時(shí)間和成本就會越多，可能成為導(dǎo)致出貨延期而喪失機(jī)會的大問題。最嚴(yán)重的情況是產(chǎn)品流向市場后發(fā)生問題，導(dǎo)致被迫召回，或者發(fā)展為信用問題。

熱導(dǎo)致的問題，可能會造成產(chǎn)品的故障、冒煙或者起火、甚至發(fā)展到火災(zāi)等涉及到人的生命安全的問題，因此從根本上來說熱設(shè)計(jì)是非常重要的。由此，從初期階段開始就必須進(jìn)行切實(shí)的熱設(shè)計(jì)。

熱設(shè)計(jì)的重要性在不斷提高

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

我們必須認(rèn)識到，隨著技術(shù)趨勢的變化，熱設(shè)計(jì)也變得比以前更加苛刻了。如前文所述，不僅僅對于電子設(shè)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(shè)計(jì)性”，因此熱對策成為了一項(xiàng)重大課題。熱設(shè)計(jì)與設(shè)備的可靠性和安全性、以及總體成本削減都有關(guān)系，因此其重要性在不斷提高。

技術(shù)趨勢的變化和熱設(shè)計(jì)

近年來，技術(shù)趨勢的焦點(diǎn)是“小型化”、“高性能化”、“設(shè)計(jì)性”。接下來會闡述這些技術(shù)趨勢將會對熱和熱設(shè)計(jì)帶來什么影響。

“小型化”

隨著電子設(shè)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(fā)展。在半導(dǎo)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(xiàn)如今并不少見。

另外，不斷涌現(xiàn)出提高集成度的新方法。例如，把多個(gè)芯片封裝在同一個(gè)模塊里，或者把多種功能高度集成到同一個(gè)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(fā)熱。

下圖是封裝小型化的示意圖。在熱成像圖中，左右兩側(cè)器件的功耗相同，左側(cè)為20×20×20mm封裝，右側(cè)為10×10×10mm封裝?？梢院苊黠@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(fā)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(gè)器件（左側(cè)）和搭載 2 個(gè)器件（右側(cè)）的情況，可以看出溫度的差異非常明顯。

進(jìn)一步地，把小型化、高度集成化的器件，在小型化的基板上，進(jìn)行高密度、并且雙面貼裝的情況也在發(fā)生。

在高密度貼裝中，貼片封裝的器件向基板進(jìn)行散熱的有效散熱范圍變少，從而導(dǎo)致發(fā)熱加劇。當(dāng)機(jī)殼內(nèi)部的環(huán)境溫度變高時(shí)，可以進(jìn)行耗散的熱量將會減少。結(jié)果導(dǎo)致以往只在發(fā)熱器件的周圍產(chǎn)生高溫，如今基板整體都會變成高溫。這樣一來，就連發(fā)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(shè)備的性能，經(jīng)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(jìn)一步地需要進(jìn)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(jié)果導(dǎo)致發(fā)熱量增加。另外，在高頻應(yīng)用中，為了抑制輻射噪聲，很多時(shí)候會使用屏蔽。在屏蔽內(nèi)部熱量會發(fā)生聚集，因此對于屏蔽內(nèi)部的器件來說，溫度條件會發(fā)生惡化。進(jìn)一步地，以提高性能為理由來增大設(shè)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(tài)，機(jī)殼內(nèi)部的溫度會變高。

“設(shè)計(jì)性”

為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化和美學(xué)宣傳，重視設(shè)計(jì)性的產(chǎn)品、進(jìn)一步地以設(shè)計(jì)性優(yōu)先的產(chǎn)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(shí)現(xiàn)合適的散熱，使得機(jī)殼溫度過高從而發(fā)生問題。器件為了提高設(shè)計(jì)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(yīng)，更進(jìn)一步地以設(shè)計(jì)性優(yōu)先的情況也很多。

如前所述，隨著“小型化”、“高性能化”、“設(shè)計(jì)性”的技術(shù)趨勢的發(fā)展變化，元器件的發(fā)熱量增加了，散熱卻反而變得更加困難了。因此，熱設(shè)計(jì)的條件和要求更加苛刻了。這些確實(shí)是比較大的問題，但是除此之外，還有一點(diǎn)需要討論。

一般來說，在設(shè)計(jì)電子設(shè)備時(shí)，對于需要遵守的熱設(shè)計(jì)要求，公司都會有相關(guān)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。如果該評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)過時(shí)，沒能根據(jù)現(xiàn)在的技術(shù)趨勢進(jìn)行重新評估，那么該標(biāo)準(zhǔn)本身就會成為問題。當(dāng)不進(jìn)行相關(guān)討論導(dǎo)致所遵守的標(biāo)準(zhǔn)是沒有考慮現(xiàn)狀的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，有可能會產(chǎn)生較大的問題。

為了應(yīng)對技術(shù)趨勢的變化，也需要對熱設(shè)計(jì)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新評估。

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