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华为单板热设计培训教材

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单板热设计培训教材
整机工程部热技术研究部 HUAWEI

提纲
一、热设计基础知识
1、热量传递的三种基本方式
2、热阻的概念
二、器件热特性
1、认识器件热阻
2、典型器件封装散热特性
3、单板器件的散热路径
三、散热器介绍
四、导热介质介绍
五、单板强化散热措施
1、PWB热特性
2、PWB强化散热措施
六、单板布局原则

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一、热设计基础知识

热量的传递有导热,对流换热及辐射换热三种方式。在终端设备散 热过程中,这三种方式都有发生。三种传热方式传递的热量分别由以下 公式计算
Fourier导热公式:Q=λA(Th -Tc )/δ
Newton对流换热公式:Q=αA(Tw -Tair )
辐射4次方定律:Q=5.67e-8*εA(Th4-Tc4)
其中λ、α、ε分别为导热系数,对流换热系数及表面的发射率,A是 换热面积。


1、热量传递的三种基本方式
 导热: 物体各部分之间不发生相 对位移时,依靠分子、原子及 自由电子等微观例子的热运动 而产生的热量称为导热。例 如,固体内部的热量传递和不 同固体通过接触面的热量传递 都是导热现象。芯片向壳体外 部传递热量主要就是通过导热。

导热过程中传递的热量按照Fourier导热定律计算:
Q=λA(Th-Tc)/δ
其中:A 为与热量传递方向垂直的面积,单位为m2;
Th 与Tc 分别为高温与低温面的温度,
δ为两个面之间的距离,单位为m。
λ为材料的导热系数,单位为W/(m*℃),表示了该材料导热能 力的大小。一般说,固体的导热系数大于液体,液体的大于气体。例如 常温下纯铜的导热系数高达400 W/(m*℃),纯铝的导热系数为236 W/(m*℃),水的导热系数为0.6 W/(m*℃),而空气仅0.025W/(m*℃) 左右。铝的导热系数高且密度低,所以散热器基本都采用铝合金加工, 但在一些大功率芯片散热中,为了提升散热性能,常采用铝散热器嵌铜 块或者铜散热器。热设计 https://www.resheji.com


对流换热
对流换热是指运动着的流体流经温度与之不同的固体表面时与固体 表面之间发生的热量交换过程,这是通信设备散热中中应用最广的一种 换热方式。根据流动的起因不同,对流换热可以分为强制对流换热和自 然对流换热两类。前者是由于泵、风机或其他外部动力源所造成的,而 后者通常是由于流体自身温度场的不均匀性造成不均匀的密度场,由此 产生的浮升力成为运动的动力。
机柜中通常采用的风扇冷却散热就是最典型的强制对流换热。在终 端产品中主要是自然对流换热。自然对流散热分为大空间自然对流(例 如终端外壳和外界空气间的换热)和有限空间自然对流(例如终端内的 单板和终端内的空气)。值得注意的是,当终端外壳与单板的距离小于 一定值时,就无法形成自然对流,例如手机的单板与外壳之间就只是以 空气为介质的热传导。

对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算:
Q=hA(Tw -Tair )
其中:A 为与热量传递方向垂直的面积,单位为m2 ;
Th 与Tc 分别为固体壁面与流体的温度,h是对流换热系数,自然对流时换热系数在1~10W/(℃*m2)量级,实 际应用时一般不会超过3~5W/(℃*m2);强制对流时换热系数在10~ 100W/(℃*m2)量级,实际应用时一般不会超过30W/(℃*m2)。

热辐射
辐射是通过电磁波来传递能量的过程,热辐射是由于物体的温度高于绝对零 度时发出电磁波的过程,两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。物体 的辐射力计算公式为:
E=5.67e-8εT4
物体表面之间的热辐射计算是极为复杂的,其中最简单的两个面积相同且 正对着的表面间的辐射换热量计算公式为:
Q=A*5.67e-8/(1/εh +1/εc -1)*(Th4-Tc4)
公式中T指的是物体的绝对温度值=摄氏温度值+273.15;ε是表面的黑度或发 射率,该值取决于物质种类,表面温度和表面状况,与外界条件无关,也与颜色 无关。磨光的铝表面的黑度为0.04,氧化的铝表面的黑度为0.3,油漆表面的黑度 达到0.8,雪的黑度为0.8。
由于辐射换热不是线性关系,当环境温度升高时,终端的温度与环境的相 同温差条件下会散去更多的热量。

塑料外壳表面喷漆,PWB表面会涂敷绿油,表面黑度都可以达到 0.8,这些都有利于辐射散热。对于金属外壳,可以进行一些表面处理 来提高黑度,强化散热。
对辐射散热一个最大错误认识是认为黑色可以强化热辐射,通常散 热器表面黑色处理也助长了这种认识。实际上物体温度低于1800℃时, 有意义的热辐射波长位于0.38~100μm之间,且大部分能量位于红外波 段0.76~20μm范围内,在可见光波段内,热辐射能量比重并不大。颜色 只与可见光吸收相关,与红外辐射无关,夏天人们穿浅色的衣服降低太 阳光中的可见光辐射吸收。因此终端内部可以随意涂敷各种颜色的漆。

2、热阻的概念
对导热和对流换热的公式进行变换:
Fourier导热公式:Q=λA(Th-Tc)/δ Q=(Th-Tc)/[δ/(λA)]
Newton对流换热公式:Q=αA(Tw-Tair) Q=(Tw-Tair)/(1/αA)
热量传递过程中,温度差是过程的动力,好象电学中的电压,换热 量是被传递的量,好像电学中的电流,因而上式中的分母可以用电学中 的电阻概念来理解成导热过程的阻力,称为热阻(thermal resistance), 单位为℃/W, 其物理意义就是传递1W 的热量需要多少度温差。在热设 计中将热阻标记为R或θ。δ/(λA)是导热热阻,1/αA是对流换热热阻。 器件的资料中一般都会提供器件的Rjc和Rja热阻,Rjc是器件的结到壳的 导热热阻;Rja是器件的结到壳导热热阻和壳与外界环境的对流换热热阻 之和。这些热阻参数可以根据实验测试获得,也可以根据详细的器件内 部结构计算得到。根据这些热阻参数和器件的热耗,就可以计算得到器 件的结温。
两个名义上相接触的固体表面, 实际上接触仅发生在一些离散的面积 元上,如右图所示,在未接触的界面 之间的间隙中常充满了空气,热量将 以导热和辐射的方式穿过该间隙层, 与理想中真正完全接触相比,这种附 加的热传递阻力称为接触热阻。降低 接触热阻的方法主要是增加接触压力 和增加界面材料(如硅脂)填充界面 间的空气。在涉及热传导时,一定不 能忽视接触热阻的影响,需要根据应 用情况选择合适的导热界面材料,如 导热脂、导热膜、导热垫等。


二、器件热特性
1、认识器件热阻
JEDEC芯片封装的热性能参数:
热阻参数

θja ,结(即芯片)到空气环境的热阻:θja =(Tj -Ta )/P

θjc ,结(即芯片)到封装外壳的热阻:θjc =(Tj -Tc )/P

θjb ,结(即芯片)到PCB的热阻:θjb =(Tj -Tb )/P
热性能参数

ψjt ,结到封装顶部的热参数: ψjt =(Tj -Tt )/P

ψjb ,结到封装底部的热参数: ψjb =(Tj -Tb )/P
Tj ——芯片结温,℃
Ta ——空气环境温度,℃
Tb ——芯片根部PCB表面温度,℃
Tt ——芯片表面温度,℃
θja 热阻参数是封装的品质度量(Figure of Merit),并非 Application-specific,θja 的正确的应用只能是芯片封装的热性能品质参数 (用于性能好坏等级的比较),不能应用于实际测试/分析中的结温预计分析。
从90年代起,相对于θja 人们更需要对实际工程师预计芯片温度有价值 的热参数。适应此要求而出现三个新参数: θjb 、ψjt 和ψjb 。
ψjb 可适当的运用于热分析中的结温分析
ψjt 可适当运用于实际产品热测试中的结温预计。
θjc 是结到封装表面离结最近点的热阻值。 θjc 测量中设法使得热流 “全部”由封装外壳通过。
 ψjt 与θjc 完全不同,并非是器件的热阻值,只是个数学构造物,只是结 到TOP的热特征参数,因为不是所有热量都是通过封装顶部散出的。
 实际应用中, ψjt 对于由芯片封装上表面测试温度来估计结温有有限的 参考价值。
 θjb :用来比较装于板上表面安装芯片封装热性能的品质参数(Figure of Merit),针对的是2s2p PCB,不适用板上有不均匀热流的芯片封装。
 θjb 与ψjb 有本质区别, θjb > ψjb 。与ψjt 同理, ψjb 为结到PCB的 热特征参数。

2、典型器件封装散热特性
普通SOP封装散热性能很差,影响SOP封装散热的因素分外因和内因,其中内 因是影响SOP散热的关键。影响散热的外因是器件管脚与PWB的传热热阻和器件 上表面与环境的对流散热热阻。内因源于SOP封装本身很高传热热阻。SOP封装散 热主要通过三个途径:
1)die的热量通过封装材料(mold compound)传导到器件上表面然后对流散热,低 导热的封装材料影响传热。
2)die热量通过pad、封装材料和器件底面与PWB之间的空气层后,递到PWB散 热,低导热的封装材料和空气层影响传热。
3)die热量通过lead Frame传递到PWB,lead frame和die之间是极细的键合线 (golden wire),因此die和leadframe之间存在很大的导热热阻,限制了管脚散热。

影响PBGA Rjc和Rja热阻的因素有很多,从重要程度看依次是:
1)thermal ball的个数
2)die的尺寸
3)substrate的结构,包括铜皮层数,铜皮厚度
4)die attachment 材料的导热系数
5)gold wire的直径
6)PWB上导热过孔的数量。
其中,前5个因素与器件本身的设计相关,因素6与PWB设计相关

案例:不要被表面的金属欺骗
一些PBGA芯片在表面贴铜块强化散热,由于mold的导热系数很低,该金 属封装表面仍为辅助散热,关键散热路径仍在封装的底部。
需要了解器件内部的封装结构选择散热方案!
热量传递方式:
Die的热量传递 给上表面的铜 块,部分热量通 过铜块传递到环 境中;另外部分 热量通过铜块依 次传递给芯片的 基板、焊球、 PWB后,通过 PWB散热。
当FC-BGA封装热耗在1~6W时,可以采用直接强迫对流散 热,Rja的范围在8~12℃/W;当热耗在4~10W时,需要加散热器 强化散热,Rja的范围在5~10℃/W;当热耗为8~25W时,需要高 端的散热器配合合适的风道来进行强化散热。
TO器件的散热往往需要较大的的铜皮, 那么对于面积紧张的单板如何来实现?
按重要程度依次为:
1)过孔
2)单板的层结构(地层或者电源层的位置)
3)地层或者电源层的铜皮厚度
4)焊盘厚度

好的单板散热方案必须针对器件的散热特性进行设计!
 THD器件的管脚数量少,焊接后封装也不紧贴单板,与单板的热关联性很 小,该类器件的热量都是通过器件表面散到环境中。因此早期的器件散热研究 比较注重于器件表面的空气流动,以期获得比较高的器件表面对流换热系数。
 SMD器件集成度高,热耗也大,是散热关注的重点。该类器件的管脚/焊 球数量多,焊接后封装也紧贴单板,与单板建立起紧密的换热联系,散热方案 必须从单板整体散热的角度进行分析。SMD器件针对散热需求也出现了多种强 化散热的封装,这些封装的种类繁多,但从散热角度进行归纳分类,以引脚封 装和焊球封装最为典型,其它封装的散热特性可以参考这两种类推。

PGA类的针状管脚器件基本忽略单板散热,以表面散热为主,例如CPU等。
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