單板熱設計培訓教材
整機工程部熱技術研究部 HUAWEI

提綱
一、熱設計基礎知識
1、熱量傳遞的三種基本方式
2、熱阻的概念
二、器件熱特性
1、認識器件熱阻
2、典型器件封裝散熱特性
3、單板器件的散熱路徑
三、散熱器介紹
四、導熱介質介紹
五、單板強化散熱措施
1、PWB熱特性
2、PWB強化散熱措施
六、單板布局原則

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一、熱設計基礎知識

熱量的傳遞有導熱，對流換熱及輻射換熱三種方式。在終端設備散 熱過程中，這三種方式都有發生。三種傳熱方式傳遞的熱量分別由以下 公式計算
Fourier導熱公式：Q=λA(Th -Tc )/δ
Newton對流換熱公式：Q=αA(Tw -Tair )
輻射4次方定律：Q=5.67e-8*εA(Th4-Tc4)
其中λ、α、ε分別為導熱系數，對流換熱系數及表面的發射率，A是 換熱面積。

1、熱量傳遞的三種基本方式
 導熱: 物體各部分之間不發生相 對位移時，依靠分子、原子及 自由電子等微觀例子的熱運動 而產生的熱量稱為導熱。例 如，固體內部的熱量傳遞和不 同固體通過接觸面的熱量傳遞 都是導熱現象。芯片向殼體外 部傳遞熱量主要就是通過導熱。

導熱過程中傳遞的熱量按照Fourier導熱定律計算：
Q=λA(Th-Tc)/δ
其中：A 為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2;
Th 與Tc 分別為高溫與低溫面的溫度，
δ為兩個面之間的距離，單位為m。
λ為材料的導熱系數，單位為W/(m*℃），表示了該材料導熱能 力的大小。一般說，固體的導熱系數大于液體，液體的大于氣體。例如 常溫下純銅的導熱系數高達400 W/(m*℃），純鋁的導熱系數為236 W/(m*℃），水的導熱系數為0.6 W/(m*℃），而空氣僅0.025W/(m*℃） 左右。鋁的導熱系數高且密度低，所以散熱器基本都采用鋁合金加工， 但在一些大功率芯片散熱中，為了提升散熱性能，常采用鋁散熱器嵌銅 塊或者銅散熱器。熱設計 http://www.93ssc.com

對流換熱
對流換熱是指運動著的流體流經溫度與之不同的固體表面時與固體 表面之間發生的熱量交換過程，這是通信設備散熱中中應用最廣的一種 換熱方式。根據流動的起因不同，對流換熱可以分為強制對流換熱和自 然對流換熱兩類。前者是由于泵、風機或其他外部動力源所造成的，而 后者通常是由于流體自身溫度場的不均勻性造成不均勻的密度場，由此 產生的浮升力成為運動的動力。
機柜中通常采用的風扇冷卻散熱就是最典型的強制對流換熱。在終 端產品中主要是自然對流換熱。自然對流散熱分為大空間自然對流（例 如終端外殼和外界空氣間的換熱）和有限空間自然對流（例如終端內的 單板和終端內的空氣）。值得注意的是，當終端外殼與單板的距離小于 一定值時，就無法形成自然對流，例如手機的單板與外殼之間就只是以 空氣為介質的熱傳導。

對流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計算：
Q=hA(Tw -Tair )
其中：A 為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2 ;
Th 與Tc 分別為固體壁面與流體的溫度，h是對流換熱系數，自然對流時換熱系數在1～10W/(℃*m2)量級，實 際應用時一般不會超過3～5W/(℃*m2)；強制對流時換熱系數在10～ 100W/(℃*m2)量級，實際應用時一般不會超過30W/(℃*m2）。

熱輻射
輻射是通過電磁波來傳遞能量的過程，熱輻射是由于物體的溫度高于絕對零 度時發出電磁波的過程，兩個物體之間通過熱輻射傳遞熱量稱為輻射換熱。物體 的輻射力計算公式為：
E＝5.67e-8εT4
物體表面之間的熱輻射計算是極為復雜的，其中最簡單的兩個面積相同且 正對著的表面間的輻射換熱量計算公式為：
Q＝A*5.67e-8/(1/εh +1/εc -1)*(Th4-Tc4)
公式中T指的是物體的絕對溫度值＝攝氏溫度值＋273.15；ε是表面的黑度或發 射率，該值取決于物質種類，表面溫度和表面狀況，與外界條件無關，也與顏色 無關。磨光的鋁表面的黑度為0.04,氧化的鋁表面的黑度為0.3，油漆表面的黑度 達到0.8，雪的黑度為0.8。
由于輻射換熱不是線性關系，當環境溫度升高時，終端的溫度與環境的相 同溫差條件下會散去更多的熱量。

塑料外殼表面噴漆，PWB表面會涂敷綠油，表面黑度都可以達到 0.8，這些都有利于輻射散熱。對于金屬外殼，可以進行一些表面處理 來提高黑度，強化散熱。
對輻射散熱一個最大錯誤認識是認為黑色可以強化熱輻射，通常散 熱器表面黑色處理也助長了這種認識。實際上物體溫度低于1800℃時， 有意義的熱輻射波長位于0.38~100μm之間，且大部分能量位于紅外波 段0.76~20μm范圍內，在可見光波段內，熱輻射能量比重并不大。顏色 只與可見光吸收相關，與紅外輻射無關，夏天人們穿淺色的衣服降低太 陽光中的可見光輻射吸收。因此終端內部可以隨意涂敷各種顏色的漆。

2、熱阻的概念
對導熱和對流換熱的公式進行變換：
Fourier導熱公式：Q=λA(Th-Tc)/δ Q=(Th－Tc)/[δ/(λA)]
Newton對流換熱公式：Q=αA(Tw-Tair) Q=(Tw-Tair)/(1/αA)
熱量傳遞過程中，溫度差是過程的動力，好象電學中的電壓，換熱 量是被傳遞的量，好像電學中的電流，因而上式中的分母可以用電學中 的電阻概念來理解成導熱過程的阻力，稱為熱阻（thermal resistance）， 單位為℃/W, 其物理意義就是傳遞1W 的熱量需要多少度溫差。在熱設 計中將熱阻標記為R或θ。δ/(λA)是導熱熱阻，1/αA是對流換熱熱阻。 器件的資料中一般都會提供器件的Rjc和Rja熱阻，Rjc是器件的結到殼的 導熱熱阻；Rja是器件的結到殼導熱熱阻和殼與外界環境的對流換熱熱阻 之和。這些熱阻參數可以根據實驗測試獲得，也可以根據詳細的器件內 部結構計算得到。根據這些熱阻參數和器件的熱耗，就可以計算得到器 件的結溫。
兩個名義上相接觸的固體表面， 實際上接觸僅發生在一些離散的面積 元上，如右圖所示，在未接觸的界面 之間的間隙中常充滿了空氣，熱量將 以導熱和輻射的方式穿過該間隙層， 與理想中真正完全接觸相比，這種附 加的熱傳遞阻力稱為接觸熱阻。降低 接觸熱阻的方法主要是增加接觸壓力 和增加界面材料（如硅脂）填充界面 間的空氣。在涉及熱傳導時，一定不 能忽視接觸熱阻的影響，需要根據應 用情況選擇合適的導熱界面材料，如 導熱脂、導熱膜、導熱墊等。

二、器件熱特性
1、認識器件熱阻
JEDEC芯片封裝的熱性能參數：
熱阻參數
?
θja ，結（即芯片）到空氣環境的熱阻：θja =(Tj -Ta )/P
?
θjc ，結（即芯片）到封裝外殼的熱阻：θjc =(Tj -Tc )/P
?
θjb ，結（即芯片）到PCB的熱阻：θjb =(Tj -Tb )/P
熱性能參數
?
ψjt ，結到封裝頂部的熱參數： ψjt =(Tj -Tt )/P
?
ψjb ，結到封裝底部的熱參數： ψjb =(Tj -Tb )/P
Tj ——芯片結溫，℃
Ta ——空氣環境溫度，℃
Tb ——芯片根部PCB表面溫度，℃
Tt ——芯片表面溫度，℃
θja 熱阻參數是封裝的品質度量(Figure of Merit)，并非 Application-specific，θja 的正確的應用只能是芯片封裝的熱性能品質參數 （用于性能好壞等級的比較），不能應用于實際測試/分析中的結溫預計分析。
從90年代起，相對于θja 人們更需要對實際工程師預計芯片溫度有價值 的熱參數。適應此要求而出現三個新參數： θjb 、ψjt 和ψjb 。
ψjb 可適當的運用于熱分析中的結溫分析
ψjt 可適當運用于實際產品熱測試中的結溫預計。
θjc 是結到封裝表面離結最近點的熱阻值。 θjc 測量中設法使得熱流 “全部”由封裝外殼通過。
? ψjt 與θjc 完全不同，并非是器件的熱阻值，只是個數學構造物，只是結 到TOP的熱特征參數，因為不是所有熱量都是通過封裝頂部散出的。
? 實際應用中， ψjt 對于由芯片封裝上表面測試溫度來估計結溫有有限的 參考價值。
? θjb :用來比較裝于板上表面安裝芯片封裝熱性能的品質參數(Figure of Merit)，針對的是2s2p PCB，不適用板上有不均勻熱流的芯片封裝。
? θjb 與ψjb 有本質區別， θjb ＞ ψjb 。與ψjt 同理， ψjb 為結到PCB的 熱特征參數。

2、典型器件封裝散熱特性
普通SOP封裝散熱性能很差，影響SOP封裝散熱的因素分外因和內因，其中內 因是影響SOP散熱的關鍵。影響散熱的外因是器件管腳與PWB的傳熱熱阻和器件 上表面與環境的對流散熱熱阻。內因源于SOP封裝本身很高傳熱熱阻。SOP封裝散 熱主要通過三個途徑：
1)die的熱量通過封裝材料（mold compound）傳導到器件上表面然后對流散熱，低 導熱的封裝材料影響傳熱。
2)die熱量通過pad、封裝材料和器件底面與PWB之間的空氣層后，遞到PWB散 熱，低導熱的封裝材料和空氣層影響傳熱。
3)die熱量通過lead Frame傳遞到PWB，lead frame和die之間是極細的鍵合線 （golden wire），因此die和leadframe之間存在很大的導熱熱阻，限制了管腳散熱。

影響PBGA Rjc和Rja熱阻的因素有很多，從重要程度看依次是：
1）thermal ball的個數
2）die的尺寸
3）substrate的結構，包括銅皮層數，銅皮厚度
4）die attachment 材料的導熱系數
5）gold wire的直徑
6）PWB上導熱過孔的數量。
其中，前5個因素與器件本身的設計相關，因素6與PWB設計相關

案例：不要被表面的金屬欺騙
一些PBGA芯片在表面貼銅塊強化散熱，由于mold的導熱系數很低，該金 屬封裝表面仍為輔助散熱，關鍵散熱路徑仍在封裝的底部。
需要了解器件內部的封裝結構選擇散熱方案！
熱量傳遞方式：
Die的熱量傳遞 給上表面的銅 塊，部分熱量通 過銅塊傳遞到環 境中；另外部分 熱量通過銅塊依 次傳遞給芯片的 基板、焊球、 PWB后，通過 PWB散熱。
當FC－BGA封裝熱耗在1～6W時，可以采用直接強迫對流散 熱，Rja的范圍在8～12℃/W；當熱耗在4～10W時，需要加散熱器 強化散熱，Rja的范圍在5～10℃/W；當熱耗為8～25W時，需要高 端的散熱器配合合適的風道來進行強化散熱。
TO器件的散熱往往需要較大的的銅皮， 那么對于面積緊張的單板如何來實現？
按重要程度依次為：
1）過孔
2）單板的層結構（地層或者電源層的位置）
3）地層或者電源層的銅皮厚度
4）焊盤厚度

好的單板散熱方案必須針對器件的散熱特性進行設計!
? THD器件的管腳數量少，焊接后封裝也不緊貼單板，與單板的熱關聯性很 小，該類器件的熱量都是通過器件表面散到環境中。因此早期的器件散熱研究 比較注重于器件表面的空氣流動，以期獲得比較高的器件表面對流換熱系數。
? SMD器件集成度高，熱耗也大，是散熱關注的重點。該類器件的管腳/焊 球數量多，焊接后封裝也緊貼單板，與單板建立起緊密的換熱聯系，散熱方案 必須從單板整體散熱的角度進行分析。SMD器件針對散熱需求也出現了多種強 化散熱的封裝，這些封裝的種類繁多，但從散熱角度進行歸納分類，以引腳封 裝和焊球封裝最為典型，其它封裝的散熱特性可以參考這兩種類推。
?
PGA類的針狀管腳器件基本忽略單板散熱，以表面散熱為主，例如CPU等。
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