华为-热设计培训教材

HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.单板热设计培训教材整机工程部热技术研究部HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage2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HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage3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)/δNewton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。一、热设计基础知识HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage4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1、热量传递的三种基本方式HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage5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400W/(m*℃），纯铝的导热系数为236W/(m*℃），水的导热系数为0.6W/(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。导热HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage6导热HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage7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。HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage8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）。twtf流体温度固体表面温度xtvΦ对流换热HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage9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。HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage10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。热辐射HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage11对导热和对流换热的公式进行变换：Fourier导热公式：Q=λA(Th-Tc)/δQ=(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（thermalresistance），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。2、热阻的概念HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage12HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage13两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。HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage14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3、接触热阻二、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HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage15JEDEC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)/PTj——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，℃1、认识器件热阻HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage16θja热阻参数是封装的品质度量(FigureofMerit)，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。HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage17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(FigureofMerit)，针对的是2s2pPCB，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。HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage18不同封装的热特性（AmKor）HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage192、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（moldcompound）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leadFrame传递到PWB，leadframe和die之间是极细的键合线（goldenwire），因此die和leadframe之间存在很大的导热热阻，限制了管脚散热。HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage20该封装的特点是die采用cavityup方式布置，pad从封装底部外露，并焊接在PWB表面；或者在pad底部粘结一个金属块，该金属块外露于封装底部，并焊接在PWB表面。die的热量通过金属直接传递到PWB上，消除了原先的封装材料和空气层的热阻HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.HuaweiConfidentialPage21该封装相当与把底部增强散热型SOP封装倒置过来贴装到单板上。由于裸露在芯片上表面的pad面积很小，除了起到均匀die温度的作用外，实际直接散热