中心議題：
- 表面貼裝元器件的熱設(shè)計(jì)特點(diǎn)
解決方案：
- 內(nèi)部熱設(shè)計(jì)方法
- 外部熱設(shè)計(jì)方法
- 有關(guān)設(shè)計(jì)人員必須重視對(duì)表面貼裝元器件的熱設(shè)計(jì)工作
對(duì)于電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，尺寸越小越好。從最新的移動(dòng)電話到個(gè)人數(shù)字助理（PDA），消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場(chǎng)關(guān)注于在愈來(lái)愈小的空間內(nèi)塞入更加強(qiáng)大的功能。在推動(dòng)外形尺寸小形化的同時(shí)，人們要求產(chǎn)品具有更強(qiáng)的功能和更好的質(zhì)量。
但是組裝密度的不斷提高，形成了局部的高熱密度。由于高溫會(huì)對(duì)電子元器件的性能產(chǎn)生非常有害的影響，例如高溫會(huì)危及到半導(dǎo)體的結(jié)點(diǎn)、損傷電路的連接界面，增加導(dǎo)體的阻值和形成機(jī)械應(yīng)力的損傷，因此確保發(fā)熱電子元器件所產(chǎn)生的熱量能夠及時(shí)排出，是系統(tǒng)組裝設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。電子設(shè)備的可靠性及其性能，在很大程度上取決于設(shè)備是否具有良好的熱設(shè)計(jì)考慮，以及所采取的散熱措施是否有效。
由于近年來(lái)表面貼裝技術(shù)的應(yīng)用不斷拓展，使得熱設(shè)計(jì)工作更為復(fù)雜和困難。這是因?yàn)楸砻尜N裝類元器件與以往的矩型扁平封裝器件相比較，物理形狀和尺寸的大小有著顯著的不同，表面貼裝元器件更趨小型化、微型化，因此表面貼裝元器件的冷卻比起以往所采用的通孔器件(如雙列直插式器件)來(lái)說(shuō)，在印刷電路板上所占的空間更趨緊湊，進(jìn)一步增加了熱密度。
因?yàn)楸砻尜N裝元器件相對(duì)于其它類型的元器件而言，熱設(shè)計(jì)更為困難，所以近來(lái)人們已將注意力轉(zhuǎn)向涉及表面貼裝技術(shù)的散熱問(wèn)題。從冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、散熱片的提供以及嚴(yán)格的熱分析，都特別關(guān)注在表面貼裝技術(shù)上的應(yīng)用。
表面貼裝元器件的熱設(shè)計(jì)特點(diǎn)
表面貼裝技術(shù)與以往的通孔組裝技術(shù)相比較，所采用的熱交換方式的選擇余地很小。例如，對(duì)于采用通孔組裝技術(shù)的雙列直插式器件而言，由于具有接地引腳和電源引腳可與印刷電路板具有熱傳導(dǎo)和熱輻射功能的散熱板（例如銅板）相接觸，將熱量散發(fā)出去。而對(duì)于采用表面貼裝技術(shù)的元器件來(lái)說(shuō)，僅能采用表面接觸的方式進(jìn)行散熱，由于表面貼裝器件的引腳非常細(xì)小，因而對(duì)于熱流而言，其流通截面積受到了很大的限制。
表面貼裝器件的熱設(shè)計(jì)考慮已經(jīng)超過(guò)以住所遇到的電子元器件的熱設(shè)計(jì)考慮，以往所采用的通孔器件的外形尺寸比起表面貼裝器件來(lái)說(shuō)大多了，即使通孔器件上具有高熱負(fù)載，也可以通過(guò)附著上常規(guī)的金屬壓制板材，或者采用具有足夠散熱表面積的、擠壓成形的鋁散熱片來(lái)進(jìn)行冷卻。而對(duì)表面貼裝器件來(lái)說(shuō)，雖然熱量的產(chǎn)生通常要小于通孔器件，但是由于表面貼裝器件的物理尺寸較小，并且缺乏專門的散熱片粘接方法,從表面貼裝器件上向外進(jìn)行熱交換的通道受到了很大限制。當(dāng)在表面貼裝器件上粘接一塊散熱片時(shí)，尤其是對(duì)采用塑料封裝的器件來(lái)說(shuō)，環(huán)氧樹脂粘接劑將會(huì)形成一個(gè)顯著的熱阻，此外在對(duì)流或強(qiáng)迫風(fēng)冷的通道之中，由于表面貼裝器件的外形較小，因此表面貼裝器件不能有效地進(jìn)入氣流的傳熱界面層上，導(dǎo)致了熱交換系數(shù)的降低。而當(dāng)一個(gè)具有特定功耗的芯片安置在較小的表面貼裝組件內(nèi)時(shí)，其產(chǎn)生的功率密度就增高了，于是要求有較高的熱交換系數(shù)，才能保持與通孔器件相一致的溫度。
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為了能夠有效地解決上述問(wèn)題，可以從表面貼裝器件的內(nèi)部和外部?jī)煞矫鎭?lái)采取措施。
內(nèi)部熱設(shè)計(jì)方法
為了提高表面貼裝器件的熱性能，可以對(duì)器件組裝本身進(jìn)行綜合的熱設(shè)計(jì)處理。例如，引腳數(shù)量眾多的方型塑料扁平封裝器件(PQFP)的熱特性，可以通過(guò)增強(qiáng)其內(nèi)在的冷卻性能，使得熱傳遞性能大為改善。其中包括使用銅引腳框架增加引腳框的面積和增加組件內(nèi)的傳熱通道將其與引腳框連接起來(lái)，將熱量通過(guò)引腳框傳遞到器件的外表面。采用了這些熱設(shè)計(jì)措施，將增大方型塑料扁平封裝器件的功耗散發(fā)量，可以從原來(lái)的2瓦左右增至3瓦以上。
另外，采用其它熱設(shè)計(jì)的方式，也能夠改善表面貼裝器件的散熱性能，其中包括增加管芯尺寸、增加銅材制成的電源線和接地線的面積(對(duì)于多層陶瓷組件而言)，以及降低塑料的厚度。
所有表面貼裝元器件內(nèi)部所增加的熱設(shè)計(jì)措施，將導(dǎo)致費(fèi)用增加，除此以外，也影響到結(jié)構(gòu)的可靠性。因此，目前正在開(kāi)展尋找采用外部散熱片和冷卻措施的研究工作。
外部熱設(shè)計(jì)方法
為了能夠?qū)⒈砻尜N裝器件上的熱量散發(fā)掉，人們嘗試了各種方法，其中絕大多數(shù)方法同樣也適用于通孔工藝情形。有關(guān)的系統(tǒng)冷卻技術(shù)同時(shí)適用于表面貼裝技術(shù)和通孔二種方式。這些技術(shù)包括機(jī)柜的熱管理、機(jī)柜和機(jī)箱采用自然對(duì)流冷卻、強(qiáng)迫空氣冷卻、液體冷卻熱交換和空氣調(diào)節(jié)器。
一些常規(guī)的電子元器件和印刷電路板上常用的冷卻技術(shù)，也同樣可用在表面貼裝器件上，包括傳熱通道、冷板、焊接散熱板、熱管、溫差致冷、微型風(fēng)機(jī)和充滿液體的冷卻袋等。
在表面貼裝元器件的頂部安裝上散熱器，可以顯著地增加表面貼裝元器件的散熱面積。當(dāng)氣流方向不明確的時(shí)候，在表面貼裝元器件上粘接上正交的鋁散熱片是非常有效的。
表面貼裝元器件所采用的散熱器，絕大多數(shù)采用鋁材（擠壓成形、波紋狀板材)，此外還有實(shí)心銅散熱器，目前正引入采用由金屬填充的、具有熱傳導(dǎo)性能的聚合物材料制造的散熱器。采用該散熱器具有一定的優(yōu)勢(shì)，這種散熱器具有適合于塑料器件的熱膨脹系數(shù)，能夠提供較高的熱傳遞性能，它們可以通過(guò)粘接膠接在表面貼裝器件上。圖l顯示了聚合物散熱器與各類鋁制散熱器的性能參數(shù)比較。所測(cè)試的組件外形尺寸為28mm 28mm，具有l(wèi)60條引腳的EIAJ方型塑科扁平封裝器件。其管芯的外形尺寸為10.2mm l0.2mm，發(fā)熱為l瓦。組件采用40 40條引腳的銅框架，它被裝在ll4mm 76mm的插件板上進(jìn)行測(cè)試,散熱片采用導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂進(jìn)行固定。
采用表面貼裝器件上的散熱器能夠增加熱耗散的面積，這種散熱器向外凸出的高度很小，散熱片的覆蓋面能夠占表面貼裝元器件長(zhǎng)度的30%～50%，且不會(huì)妨礙焊點(diǎn)的檢查。在組件的散熱片位置，通過(guò)在其突出部位增加一個(gè)擠壓成形的凸出物進(jìn)行加固。此外，為了能夠形成最佳的粘接厚度和為了避免膠粘層不均勻，散熱片的底部應(yīng)該采用高度為0.08至0.15mm厚的導(dǎo)向"軌道"。
散熱片的高度應(yīng)在滿足空間尺寸限制的條件下，達(dá)到最大限度的允許值。在滿足氣流條件的情況下，散熱片和散熱圓柱的密度同樣也要達(dá)到最高值。粘接散熱片的材料最好采用柔性的、填充有銀粉的環(huán)氧粘接劑。
對(duì)于涉及到高熱度的特殊應(yīng)用場(chǎng)合，或者為了達(dá)到最佳的高速工作狀態(tài)，必須對(duì)元器件進(jìn)行冷卻，使之低于環(huán)境溫度，其中溫差致冷是一項(xiàng)有效的技術(shù)手段。一般情況下溫差致冷頗為麻煩，但溫差致冷可以滿足定點(diǎn)定位的冷卻需要，它幾乎可以滿足各種尺寸大小的需求。作為一個(gè)有源器件(一個(gè)熱泵)，它要求有輸入功率。在接觸器件的一側(cè)形成一個(gè)致冷端，熱量從發(fā)熱的一端散發(fā)出去。例如，某一微信息處理裝置采用溫差致冷進(jìn)行低于環(huán)境溫度的冷卻，溫差致冷與水冷套管相結(jié)合，水冷套管將溫差致冷的發(fā)熱端所散發(fā)的熱量帶走。溫差致冷端通過(guò)粘接或者壓緊裝置與發(fā)熱元器件的表面相連接。
[page]從表面貼裝元器件頂部所散發(fā)的熱量，同樣也可以通過(guò)液體所形成的柔性散熱器來(lái)完成。例如，采用內(nèi)部注滿全氟化碳液體的金屬化塑料袋作為柔性散熱器，袋中的受熱液體通過(guò)熱對(duì)流傳導(dǎo)，可以很方便地將器件上所散發(fā)的熱量傳遞到袋子的金屬化塑料表面。當(dāng)這散熱袋與散熱體,例如機(jī)殼或機(jī)柜壁相接觸時(shí)，會(huì)獲得最佳的效果。
上述充滿液體的柔性散熱器己經(jīng)有效地達(dá)到2.3W/cm2以上的功率耗散，它一般被使用在自然對(duì)流受到約束，或者不能直接采用強(qiáng)迫冷卻的特殊場(chǎng)合。
熱管一般來(lái)說(shuō)比起簡(jiǎn)單的帶有散熱片的散熱器來(lái)說(shuō)，所占用的空間要多，但是其冷卻能力卻有顯著的提高。熱管加強(qiáng)了至散熱片的熱交換能力，并能適應(yīng)高功率密度的場(chǎng)合需要。典型的熱管冷卻結(jié)構(gòu)是采用熱管和冷卻散熱片的組合體。它被設(shè)計(jì)成能夠固定在大型和微型元器件的頂部進(jìn)行散熱，在豎直方向采用在銅基層中埋置入熱管的方式，該熱管一直延伸到散熱器上，對(duì)于32mm 32mm 正方形的表面貼裝器件而言，采用高度大于25.4mm 的散熱器,在強(qiáng)迫風(fēng)冷的狀態(tài)下能夠耗散掉60W的熱量。
同樣,也可以通過(guò)直接在印刷電路板上安裝上小型散熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)單個(gè)元器件或一組元器件的冷卻，這種小型散熱器能夠小于25.4mm 25.4mm。
除表面貼裝器件頂部的冷卻以外，可以再在其底部進(jìn)行冷卻以獲得冷卻效果的進(jìn)一步加強(qiáng)，或者采用底部冷卻來(lái)替換頂部的冷卻。底部冷卻最簡(jiǎn)便的方式是在印刷電路板的底部粘上一塊金屬板，然而采用這種方式的話，元器件底部的熱量必須通過(guò)印刷電路板的自身的厚度才能得以傳導(dǎo)。一個(gè)常用的工藝方式是在元器件的下面提供一定數(shù)量的通道，這些通道被制成通孔形式，焊錫被灌注在其中。熱通道將元器件底部的熱量，通過(guò)印刷電路板傳遞到安裝在板子另外一個(gè)側(cè)面的冷板上進(jìn)行熱交換(見(jiàn)圖2)。
但金屬板的使用受到了一定的限制，它只能適用于表面貼裝器件安裝在印刷電路板一側(cè)的情形。對(duì)簡(jiǎn)單傳導(dǎo)來(lái)說(shuō)，只使用硬鋁制造的金屬板。但對(duì)于散熱要求較高的場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，可以采用空芯的冷板結(jié)構(gòu)，它能夠容納流動(dòng)的液體，從而加強(qiáng)了熱交換的作用。
例如,美國(guó)Lockhart公司在某一海軍的標(biāo)準(zhǔn)電子模塊(SEM)中采用了冷板結(jié)構(gòu)，采用表面貼裝技術(shù)的陶瓷基片被固定在冷板的表面上，特別值得一提的是，絕大多數(shù)的器件底下安裝有散熱通道。SEM所采用的冷板在每個(gè)側(cè)邊開(kāi)有水的入口和出口的接管嘴。此外它還帶有起鎖定作用的金屬構(gòu)件，使之連成一體。冷板每側(cè)的水入口和出口管嘴端被壓入和密封在機(jī)箱壁中的流體通道之中，從而進(jìn)行良好的熱交換。整齊排列的52塊SEM液體模塊，被安裝在復(fù)式框架機(jī)箱之中，在水的流速為6.3 l0-6 m3/s時(shí),每塊冷板能散發(fā)200W的熱量。
冷板同樣也能同熱管結(jié)合在一起，熱管能夠?qū)崃繌挠∷㈦娐钒宓闹虚g傳遞到板的邊緣，然后熱量被傳遞到機(jī)箱壁上。扁平的熱管被夾持在兩層薄薄的、經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化處理的鋁板之間，從而形成了一塊具有良好熱交換能力的冷板，該組件能夠被制成各種各樣的形式。
在采用表面貼裝元器件的場(chǎng)合，采用具有電路的超薄的導(dǎo)熱絕緣固態(tài)金屬板也是一項(xiàng)非常有效的散熱設(shè)計(jì)方法。它使得很大功率表面貼裝元器件的冷卻問(wèn)題簡(jiǎn)單化了。絕緣層被安置在形成電路走線的銅箔外層上，該金屬板能夠采用銅材也可以采用鋁材。
結(jié)束語(yǔ)
對(duì)于電子設(shè)計(jì)而言，無(wú)論采用的是表面貼裝元器件還是通孔器件，熱管理技術(shù)包括3級(jí)最基本的熱傳遞考慮。這3級(jí)分別為：元器件級(jí)、印刷電路板級(jí)和機(jī)箱或機(jī)柜級(jí)。所有這3級(jí)都必須保證在綜合發(fā)揮效用以后，能夠滿足從半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)上散發(fā)的熱量，順利地傳遞到外部環(huán)境空間之中去。
為了著手有效的熱管理，首先應(yīng)該對(duì)下列問(wèn)題有個(gè)清晰的了解：
1.在保證電子設(shè)計(jì)具有高可靠性的前提下，所允許的最高器件結(jié)溫或器件組件的溫度應(yīng)該是多少？
2.怎樣使一個(gè)器件至另一個(gè)器件的溫度均勻一致？若不均勻一致的話，那將會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生什么樣的影響? (采用高速電路設(shè)計(jì)時(shí)，將會(huì)對(duì)不均勻一致的溫度產(chǎn)生頗為敏感的反應(yīng))。
3.如果在電子設(shè)備中采用了風(fēng)扇，那么一旦風(fēng)扇發(fā)生了故障，將會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生什么樣的影響？在沒(méi)有風(fēng)扇進(jìn)行空氣循環(huán)冷卻的情形下，設(shè)備能夠正常工作多久? 為了能夠抵御風(fēng)扇失效所產(chǎn)生的危害，那些元器件是否需要增加額外的保護(hù)措施？
4.怎樣對(duì)通過(guò)電子設(shè)備的氣流進(jìn)行控制以確保足夠的冷卻效果？如果空氣流量不足，會(huì)對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生什么樣的影響？通過(guò)散熱器翼片的氣流是否合適？是否需要采用氣流隔板，使氣流直接接觸到要冷卻的元器件表面？
為了尋找以上問(wèn)題的答案，現(xiàn)在一些公司研制了使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行熱分析的軟件，并開(kāi)發(fā)了擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的程序。在有的熱分析軟件中，能夠反映出在電子設(shè)備中預(yù)示溫度的等溫線，在安裝有散熱器的特殊元器件以及周圍，具有空氣速度矢量顯示，它能反映出空氣的運(yùn)動(dòng)方向和速度。
采用熱分析程序可以確切地回答下述有關(guān)元器件熱設(shè)計(jì)的重要問(wèn)題：
1.元器件將暴露在何種類型的熱環(huán)境之中？2.對(duì)于滿足元器件的熱特性而言，最小的氣流速度是多少？最佳的氣流方向是什么？3.處于臨界狀態(tài)的元器件對(duì)其四周圍鄰近的器件，將會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響？
為了能夠提高電子產(chǎn)品的可靠性，有關(guān)設(shè)計(jì)人員必須重視對(duì)表面貼裝元器件的熱設(shè)計(jì)工作，從而確保產(chǎn)品功能的正常發(fā)揮。
