【導讀】上一篇文章中我們以“什么是熱設計”為標題，大致介紹了半導體元器件熱設計的重要性。本文我們希望就半導體元器件的熱設計再進行一些具體說明。
技術發(fā)展趨勢的變化和熱設計
近年來，“小型化”、“高功能化”、“設計靈活性”已經成為半導體元器件技術發(fā)展趨勢。在此我們需要考慮的是半導體元器件的這些趨勢將對熱和熱設計產生怎樣的影響。
“小型化”
產品的小型化需求，推動了IC、安裝電路板、其他電容器等元器件的小型化。在半導體元器件的小型化進程中，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芯片調整為2個將其雙重化，或者通過放入相當于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。上方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。下方為高集成度的示例，對相同尺寸封裝中使用1枚芯片和2枚芯片的產品進行對比時，可以明顯看到溫度的差異也非常明顯。
而且還進行了高密度安裝，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。若殼體內的環(huán)境溫度較高，可以散發(fā)的熱量會減少。從結果來看，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)。這甚至導致發(fā)熱量較小的元器件溫度升高。
要想提高設備的功能，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，很多情況需要進行屏蔽處理。由于熱量會蓄積在屏蔽層內，因此對于屏蔽層內的元器件而言，溫度條件變得更差。而且很難以提高功能為理由而擴大設備尺寸，因此會變成上述的高密度狀態(tài)，從而導致殼體內的溫度升高。
“設計靈活性”
為了使產品與眾不同或體現(xiàn)美感，越來越多的產品開始重視設計性，甚至優(yōu)先考慮設計靈活性。其弊端在于，由于過度地高密度安裝和無法合理散熱而導致殼體出現(xiàn)高溫的情況。簡而言之，就是手拿著便攜設備，會覺得很燙。為了提高元器件的設計靈活性，即外形的自由度，如上所述可采用小型或扁平的產品，但是更加優(yōu)先考慮設計靈活性的產品不在少數(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”、“設計靈活性”這三種技術發(fā)展趨勢的變化，已經導致發(fā)熱量增加，相應地，散熱也變得更難。因此熱設計面臨著更嚴苛的條件和要求。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去考量。
多數(shù)情況下公司的設備設計中都設置了對熱設計的評估標準。如果該評估標準比較老舊，未考慮到最近的技術發(fā)展趨勢并重新進行修改，那么該評估標準本身就存在問題。若未進行此類考量，且根據未考慮到現(xiàn)狀的評估標準進行設計，則可能會發(fā)生非常嚴重的問題。
為了應對技術發(fā)展趨勢的變化，需要對熱設計的評估標準進行重新修訂。
關鍵要點：
● 近年來，半導體元器件的“小型化”、半導體元器件的“高功能化”、半導體元器件的“設計靈活性”已經成為技術發(fā)展趨勢。
● 這些技術發(fā)展趨勢導致半導體元器件的發(fā)熱量增加、散熱變難，熱設計變得更不容易。
● 重新審視現(xiàn)有的半導體元器熱設計評估標準是否符合當前的技術發(fā)展趨勢也是非常重要的。
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