近年來，在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，除了小型化、高效化之外，還需要解決與噪聲相關(guān)的EMC（電磁兼容性）等課題，與“熱”相關(guān)的問題日益凸顯，熱設(shè)計(jì)已成為重要課題。長期以來，“熱”一直是影響元器件和設(shè)備的性能、可靠性以及安全性的重要因素之一，針對為什么如今“熱”問題備受關(guān)注，我們采訪了ROHM公司系統(tǒng)解決方案開發(fā)本部的安武一平先生。

－這一次想請教您有關(guān)熱設(shè)計(jì)的問題。首先，想請您帶我們回顧一下什么是熱設(shè)計(jì)以及為什么需要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，然后再在此前提下介紹為什么如今“熱”問題會備受關(guān)注。

好的。原則上，我將以IC和晶體管等半導(dǎo)體產(chǎn)品為前提來進(jìn)行相關(guān)的介紹。對于半導(dǎo)體元器件來說，其絕對最大額定值是被規(guī)定好的，并且與溫度相關(guān)的“結(jié)溫”，即封裝內(nèi)部的芯片溫度Tjmax也已經(jīng)被規(guī)定好了。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)時，需要確保結(jié)溫不超過Tjmax。從整個設(shè)備看，不僅半導(dǎo)體元器件，電容器和電阻器等也規(guī)定了與溫度和功率損耗相關(guān)的絕對最大額定值，也必須確保它們不要超過限值。

因此，計(jì)算出發(fā)熱量，如果結(jié)果超過了Tjmax，則降低熱阻或提高散熱性能，以使其在最大額定值之內(nèi)。這就是熱設(shè)計(jì)。

如果在設(shè)計(jì)階段沒有好好處理熱問題，則可能在產(chǎn)品試制階段或甚至要投入量產(chǎn)時發(fā)現(xiàn)由熱引起的問題。雖然問題不僅限于熱，但是越接近量產(chǎn)階段，采取對策所需的時間越多，成本也越高，甚至?xí)霈F(xiàn)交貨延遲，導(dǎo)致錯失商機(jī)的嚴(yán)重問題。最壞的情況是市場中出現(xiàn)問題，甚至可能導(dǎo)致召回和信用問題，因此熱設(shè)計(jì)是非常重要的。從設(shè)計(jì)初期階段開始，就必須進(jìn)行高精度的熱設(shè)計(jì)，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

－您所講的內(nèi)容我非常認(rèn)同。只是，這不是一直以來就有的普遍又基本的問題嗎？為什么近年來會作為一個課題凸顯出來？

簡而言之，這是由于近年來設(shè)備和元器件的“小型化”和“高性能化”發(fā)展趨勢，使發(fā)熱密度增加了，并且在很多情況下，單單采用以往的散熱對策方法和熱計(jì)算手法已經(jīng)無法完全解決這一問題了。

－關(guān)鍵點(diǎn)我已經(jīng)了解了，能否請您更具體地講解一下。

首先希望您認(rèn)識到的是“技術(shù)發(fā)展趨勢的變化對熱設(shè)計(jì)環(huán)境更加不利”這一點(diǎn)。此外，前面提到的設(shè)備和元器件的“小型化”、“高性能化”以及“設(shè)計(jì)靈活性”也是息息相關(guān)的因素。

－那么請您從“小型化”開始講解。

產(chǎn)品的小型化需求，推動了安裝電路板、IC以及電容器等的小型化。在元器件的小型化進(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。

此外，還有一些提高集成度的手法。比如可以將兩枚芯片或?qū)⑾喈?dāng)于兩枚芯片大小的芯片放入本來一枚IC芯片的封裝中。類似這樣的元器件的小型化和高度集成會使發(fā)熱量增加。這張顯示溫度分布的圖像是20×20×20mm封裝和10×10×10mm封裝在相同功耗條件下的比較。顯然，小封裝的發(fā)熱量更大。同樣，在相同尺寸的封裝中，一枚芯片和兩枚芯片之間的區(qū)別也很明顯。

當(dāng)這樣的元器件被高密度安裝在電路板上時，會使發(fā)熱密度進(jìn)一步增加，并且由于安裝面積減少，有效的散熱范圍也隨之減少，導(dǎo)致整個電路板的溫度升高，甚至還會使附近發(fā)熱量很少的其他元器件的溫度也會升高。這張圖像就是這類情況的示意圖，當(dāng)密集地配置發(fā)熱元器件時，整個電路板的溫度會很高。

－“高性能化”會帶來什么影響呢？

為了增加設(shè)備的功能，就需要增加元器件的數(shù)量，或使用集成規(guī)模更大、能力更高的IC，并且由于處理速度和頻率更高，使得功耗增加，最終導(dǎo)致發(fā)熱量呈增加趨勢。較高的頻率需要使用屏蔽罩來抑制噪聲，但是熱量會滯留在屏蔽罩內(nèi)部。并且，很難以提高性能為理由而擴(kuò)大外殼尺寸，因此會導(dǎo)致殼體內(nèi)部的密度增加，殼體內(nèi)部的溫度上升，并且很難散熱。

－“設(shè)計(jì)靈活性”是指什么？

為了時產(chǎn)品與眾不同并提高好評度，越來越多的產(chǎn)品開始重視設(shè)計(jì)。在某些情況下，甚至?xí)?yōu)先考慮產(chǎn)品的設(shè)計(jì)靈活性。事實(shí)上，發(fā)生過因進(jìn)氣孔和排氣孔未能配置在適當(dāng)?shù)奈恢枚鴮?dǎo)致殼體內(nèi)部溫度升高，從而引發(fā)問題的案例。為了提高元器件的設(shè)計(jì)靈活性，即外形的自由度，可采用小型或扁平的方式，即便如此，優(yōu)先考慮設(shè)計(jì)靈活性的產(chǎn)品不在少數(shù)。

由于“小型化”、“高性能化”和“設(shè)計(jì)靈活性”的發(fā)展而導(dǎo)致發(fā)熱量增加，并且散熱越來越難，熱設(shè)計(jì)面臨著比以往更大的挑戰(zhàn)。

（未完待續(xù)）

審核編輯黃宇