篇一：利用PCB散熱的要領與IC封裝策略

 　　  引言

 　　半導體製造公司很難控制使用其器件的系統。但是，安裝IC的系統對於整體器件性能而言至關重要。對於定製 IC 器件來說，系統設計人員通常會與製造廠商一起密切合作，以確保系統滿足高功耗器件的眾多散熱要求。這種早期的相互協作可以保證 IC 達到電氣標準和性能標準，同時保證在客戶的散熱系統內正常運行。許多大型半導體公司以標準件來出售器件，製造廠商與終端應用之間並沒有接觸。這種情況下，我們只能使用一些通用指導原則，來幫助實現一款較好的 IC 和系統無源散熱解決方案。

 　　普通半導體封裝類型為裸焊盤或者 PowerPADTM 式封裝。在這些封裝中，晶片被貼裝在一個被稱作晶片焊盤的金屬片上。這種晶片焊盤在晶片加工過程中對晶片起支撐作用，同時也是器件散熱的良好熱通路。當封裝的裸焊盤被焊接到 PCB 後，熱量能夠迅速地從封裝中散發出來，然後進入到 PCB 中。之後，通過各 PCB 層將熱散發出去，進入到周圍的空氣中。裸焊盤式封裝一般可以傳導約 80% 的熱量，這些熱通過封裝底部進入到 PCB。剩餘 20% 的熱通過器件導線和封裝各個面散發出去。只有不到 1% 的熱量通過封裝頂部散發。就這些裸焊盤式封裝而言，良好的 PCB 散熱設計對於確保一定的器件性能至關重要。

  　　Fig. 1： PowerPAD design showing thermal path

 　　可以提高熱性能的 PCB 設計第一個方面便是 PCB 器件布局。只要是有可能，PCB 上的高功耗組件都應彼此隔開。這種高功耗組件之間的物理間隔，可讓每個高功耗組件周圍的 PCB 面積最大化，從而有助於實現更好的熱傳導。應注意將 PCB 上的溫度敏感型組件與高功耗組件隔離開。在任何可能的情況下，高功耗組件的安裝位置都應遠離 PCB 拐角。更為中間的 PCB 位置，可以最大化高功耗組件周圍的板面積，從而幫助散熱。圖 2 顯示了兩個完全相同的半導體器件：組件 A 和 B。組件A 位於 PCB 的拐角處，有一個比組件 B 高 5% 的晶片結溫，因為組件 B 的位置更靠中間一些。由於用於散熱的組件周圍板面積更小，因此組件 A 的拐角位置的散熱受到限制。

  　　圖 2 組件布局對熱性能的影響。PCB 拐角組件的晶片溫度比中間組件更高

 　　第二個方面是PCB的結構，其對 PCB 設計熱性能最具決定性影響的一個方面。一般原則是：PCB 的銅越多，系統組件的熱性能也就越高。半導體器件的理想散熱情況是晶片貼裝在一大塊液冷銅上。對大多數應用而言，這種貼裝方法並不切實際，因此我們只能對 PCB 進行其他一些改動來提高散熱性能。對於今天的大多數應用而言，系統總體積不斷縮小，對散熱性能產生了不利的影響。更大的 PCB，其可用於熱傳導的面積也就越大，同時也擁有更大靈活性，可在各高功耗組件之間留有足夠的空間。

 　　在任何可能的情況下，都要最大化 PCB 銅接地層的數量和厚度。接地層銅的重量一般較大，它是整個 PCB 散熱的極好熱通路。對於各層的安排布線，也會增加用於熱傳導的銅的總比重。但是，這種布線通常是電熱隔離進行的，從而限制其作為潛在散熱層的作用。對器件接地層的布線，應在電方面儘可能地與許多接地層一樣，這樣便可幫助最大化熱傳導。位於半導體器件下方 PCB 上的散熱通孔，幫助熱量進入到 PCB 的各隱埋層，並傳導至電路板的背部。

  　　對提高散熱性能來說，PCB 的頂層和底層是「黃金地段」。使用更寬的導線，在遠離高功耗器件的地方布線，可以為散熱提供熱通路。專用導熱板是 PCB 散熱的一種極好方法。導熱板一般位於 PCB 的頂部或者背部，並通過直接銅連接或者熱通孔，熱連接至器件。

　　內聯封裝的情況下（僅兩側有引線的封裝），這種導熱板可以位於 PCB 的頂部，形狀像一根「狗骨頭」（中間與封裝一樣窄小，遠離封裝的地方連接銅面積較大，中間小兩端大）。四側封裝的情況下（四側都有引線），導熱板必須位於 PCB 背部或者進入 PCB 內。

 　　圖 3 雙列直插式封裝的「狗骨頭」形方法舉例

 　　增加導熱板尺寸是提高 PowerPAD 式封裝熱性能的一種極好方法。不同的導熱板尺寸對熱性能有極大的影響。以表格形式提供的產品數據表單一般會列舉出這些尺寸訊息。但是，要對定製 PCB 增加的銅所產生影響進行量化，是一件很困難的事情。利用一些在線計算器，用戶可以選擇某個器件，然後改變銅墊尺寸的大小，便可以估算出其對非 JEDEC PCB 散熱性能的影響。這些計算工具，突出表明了 PCB 設計對散熱性能的影響程度。對四側封裝而言，頂部焊盤的面積剛好小於器件的裸焊盤面積，在此情況下，隱埋或者背部層是實現更好冷卻的首先方法。對於雙列直插式封裝來說，我們可以使用「狗骨頭」式焊盤樣式來散熱。

 　　最後，更大 PCB 的系統也可以用於冷卻。螺絲散熱連接至導熱板和接地層的情況下，用於安裝 PCB 的一些螺絲也可以成為通向系統底座的有效熱通路。考慮到導熱效果和成本，螺絲數量應為達到收益遞減點的最大值。在連接至導熱板以後，金屬 PCB 加強板擁有更多的冷卻面積。對於一些 PCB 罩有外殼的應用來說，型控焊補材料擁有比風冷外殼更高的熱性能。諸如風扇和散熱片等冷卻解決方案，也是系統冷卻的常用方法，但其通常會要求更多的空間，或者需要修改設計來優化冷卻效果。

 　　要想設計出一個具有較高熱性能的系統，光是選擇一種好的IC 器件和封閉解決方案還遠遠不夠。IC 的散熱性能調度依賴於 PCB，以及讓 IC 器件快速冷卻的散熱系統的能力大小。利用上述無源冷卻方法，可以極大地提高系統的散熱性能。

　　篇二：常見的散熱方法有哪些

 　　常見的散熱方法有哪些

 　　散熱就所採用的方式來說，可以分為兩種，被動散熱和主動散熱，在主動散熱中依據所採用的散熱方式而言又分為風冷散熱、水冷散熱、液冷散熱、熱管散熱器散熱、半導體致冷片散熱、壓縮機輔助散熱和液氮散熱等幾種。

 　　1.散熱片被動散熱

 　　所謂被動散熱，也就說在不藉助其他輔助散熱方式的情況下，通過散熱片自身與晶片的接觸，進行熱傳導帶走晶片上聚集的熱量，但是目前電腦零部件的製造越來越複雜，瞬間發熱量驚人，僅僅採用被動散熱遠遠不能滿足CPU散熱的需要，所以現在我們只能在那些發熱量不高的主板南北橋控制晶片或者一些發熱量不高的顯卡顯示晶片上才能見到這種散熱方式。

 　　2.風冷散熱

 　　風冷散熱是現在最為常見且使用率最高的一種散熱方式，屬於主動散熱，這種散熱方式可以解決我們通常的散熱需要，技術成熟並且價格適中，因而在市場上被普遍使用。風冷散熱器結構簡單，價格低廉，安全可靠。但是它也存在一些缺點，不能將溫度降至室溫以下，而且由於存在風扇的轉動，所以有噪音，並且如果安裝不當還會導致風扇震動，長此以往就會損壞電腦元件，而且風扇壽命還有時間限制。

 　　3.水冷散熱

 　　顧名思義，水冷散熱就是利用水來代替空氣，通過水的運動在散熱片之間通過熱對流來帶走多餘的熱量。水冷系統的工作原理很簡單，就是利用水泵把水從儲水器中抽出來，通過水管流進覆蓋在CPU上面的熱交換器，然後水再從熱交換器的另外一個口出來，通過水管流回儲水箱，就這樣不斷循環，把熱量從CPU的表面帶走。整個水冷系統包括熱交換器、循環系統、水箱、水泵和水等。水冷系統的散熱能力非常強勁，非常適合一些超頻愛好者採用。

 　　4.液冷散熱

 　　嚴格地說，液冷散熱的原理和水冷散熱相同，它們散熱所採用的散熱方式是一樣的，不同的是在循環系統中流動的是導熱矽油而非水，這樣的好處顯而易見，它不會由於循環系統的損壞使得流出的矽油導致電腦硬體的損壞。目前市場上所售的澳柯瑪液冷散熱器就屬於此類散熱器。

 　　除了以上介紹的主動散熱方式外，還有熱管散熱、半導體致冷片散熱、壓縮機製冷散熱、液氮散熱等方式，由於這些方式對於大多數用戶來說實現困難，這裡就不詳細介紹了.

 　　面對市場上品種繁多的各類風冷散熱器，究竟哪一種比較好呢？看來只有了解風冷散熱的秘密後才能學會正確識別風冷散熱器。其實，風冷散熱器的結構並不復雜，通常包括三部分——散熱片、風扇和扣具。只有這三部分均符合要求才能確保散熱器有穩定可靠的散熱效果。那麼什麼樣的設計和產品才能符合要求呢？

　　篇三：晶片散熱的熱傳導計算

 　　晶片散熱的熱傳導計算(圖)

  　　討論了表徵熱傳導過程的各個物理量，並且通過實例，介紹了通過散熱過程的熱傳導計算來求得晶片實際工作溫度的方法

 　　隨著微電子技術的飛速發展，晶片的尺寸越來越小，同時運算速度越來越快，發熱量也就越來越大，如英特爾處理器奔騰4終極版運行時產生的熱量最大可達115W，這就對晶片的散熱提出更高的要求。設計人員就必須採用先進的散熱工藝和性能優異的散熱材料來有效的帶走熱量，保證晶片在所能承受的最高溫度以內正常工作。

 　　如圖1所示，目前比較常用的一種散熱方式是使用散熱器，用導熱材料和工具將散熱器安裝於晶片上面，從而將晶片產生的熱量迅速排除。本文介紹了根據散熱器規格、晶片功率、環境溫度等數據，通過熱傳導計算來求得晶片工作溫度的方法。

 　　圖1 散熱器在晶片散熱中的應用

 　　晶片的散熱過程

 　　由於散熱器底面與晶片表面之間會存在很多溝壑或空隙，其中都是空氣。由於空氣是熱的不良導體，所以空氣間隙會嚴重影響散熱效率，使散熱器的性能大打折扣，甚至無法發揮作用。為了減小晶片和散熱器之間的空隙，增大接觸面積，必須使用導熱性能好的導熱材料來填充，如導熱膠帶、導熱墊片、導熱矽酯、導熱黏合劑、相轉變材料等。如圖2所示，晶片發出的熱量通過導熱材料傳遞給散熱器，再通過風扇的高速轉動將絕大部分熱量通過對流（強制對流和自然對流）的方式帶走到周圍的空氣中，強制將熱量排除，這樣就形成了從晶片，然後通過散熱器和導熱材料，到周圍空氣的散熱通路。

 　　圖2 晶片的散熱

 　　表徵熱傳導過程的物理量

　　圖3 一維熱傳導模型

 　　在圖3的導熱模型中，達到熱平衡後，熱傳導遵循傅立葉傳熱定律：

 　　Q=K·A·(T1-T2)/L(1)

 　　式中：Q為傳導熱量（W）；K為導熱係數（W/m℃）；A 為傳熱面積（m2）；L

 　　為導熱長度（m）。(T1-T2)為溫度差。

 　　熱阻R表示單位面積、單位厚度的材料阻止熱量流動的能力，表示為：

 　　R＝(T1-T2)/Q＝L/K·A (2)

 　　對於單一均質材料，材料的熱阻與材料的厚度成正比；對於非單一材料，總的趨勢是材料的熱阻隨材料的厚度增加而增大，但不是純粹的線形關係。 對於界面材料，用特定裝配條件下的熱阻抗來表徵界面材料導熱性能的好壞更合適，熱阻抗定義為其導熱面積與接觸表面間的接觸熱阻的乘積，表示如

 　　下：

 　　Z＝(T1-T2)/(Q/A)＝R·A(3)

 　　表面平整度、緊固壓力、材料厚度和壓縮模量將對接觸熱阻產生影響，而這些因素又與實際應用條件有關，所以界面材料的熱阻抗也將取決於實際裝配條件。導熱係數指物體在單位長度上產生1℃的溫度差時所需要的熱功率，是衡量固體熱傳導效率的固有參數，與材料的外在形態和熱傳導過程無關，而熱阻和熱阻抗是衡量過程傳熱能力的物理量。

 　　圖4 晶片的工作溫度

 　　晶片工作溫度的計算

 　　如圖4的熱傳導過程中，總熱阻R為：

 　　R=R1+R2+R3(4)

 　　式中：R1為晶片的熱阻；R2為導熱材料的熱阻；R3為散熱器的熱阻。導熱材

 　　料的熱阻R2為：

 　　R2＝Z/A (5)

 　　式中：Z為導熱材料的熱阻抗，A為傳熱面積。晶片的工作溫度T2為：

 　　T2＝T1+P×R (6)

 　　式中：T1為空氣溫度；P為晶片的發熱功率；R為熱傳導過程的總熱阻。晶片的熱阻和功率可以從晶片和散熱器的技術規格中獲得，散熱器的熱阻可以從散熱器的技術規格中得到，從而可以計算出晶片的工作溫度T2。

 　　實例

 　　下面通過一個實例來計算晶片的工作溫度。晶片的熱阻為℃/W，功率為5W，最高工作溫度為90℃，散熱器熱阻為℃/W，導熱材料的熱阻抗Z為

 　　℃cm2/W，導熱材料的傳熱面積為5cm2，周圍環境溫度為50℃。導熱材料

　　理論熱阻R4為：

 　　R4＝Z/A＝ (℃·cm2/W)/5(cm2)=℃/W  (7) 由於導熱材料同晶片和散熱器之間不可能達到100％的結合，會存在一些空氣間隙，因此導熱材料的實際熱阻要大於理論熱阻。假定導熱材料同晶片和散熱

 　　器之間的結合面積為總面積的60％，則實際熱阻R3為：

 　　R3＝R4/60%＝℃/W (8)

 　　總熱阻R為：

 　　R=R1+R2+R3=℃/W  (9)

 　　晶片的工作溫度T2為：

 　　T2＝T1+P×R＝50℃+(5W×℃/W)＝℃  (10) 可見，晶片的實際工作溫度℃小於晶片的最高工作溫度90℃，處於安全

 　　工作狀態。

 　　如果晶片的實際工作溫度大於最高工作溫度，那就需要重新選擇散熱性能更好的散熱器，增加散熱面積，或者選擇導熱效果更優異的導熱材料，提高整體散

 　　熱效果，從而保持晶片的實際工作溫度在允許範圍以內。

  　　我用7805 7810如何計算散熱片尺寸?

  　　以7805為例說明問題。

 　　設I=350mA，Vin=12V，則耗散功率Pd=(12V-5V)*=  按照TO-220封裝的熱阻θJA=54℃/W，溫升是132℃，設室溫25℃，那麼

 　　將會達到7805的熱保護點150℃，7805會斷開輸出。

  　　正確的設計方法是：

 　　首先確定最高的環境溫度，比如60℃，查出民品7805的最高結溫TJMAX=125℃，那麼允許的溫升是65℃。要求的熱阻是65℃/=26℃/W。再查7805的熱阻，TO-220封裝的熱阻θJA=54℃/W，TO-3封裝（也就是大家說的「鐵殼」）的熱阻θJA=39℃/W，均高於要求值，都不能使用（雖然達不到熱保護點，但是超指標使用還是不對的）。所以不論那種封裝都必須加散熱片，資料里講到加散熱片的時候，應該加上4℃/W的殼到散熱片的熱阻。  計算散熱片應該具有的熱阻也很簡單，與電阻的並聯一樣，即54//x=26，

 　　x=50℃/W。其實這個值非常大，只要是個散熱片即可滿足。

  　　國產散熱器廠家其實就是把鋁型材做出來，然後把表面弄黑。熱阻這種最基本的參數他們恐怕從來就沒有聽說過。 如果只考慮散熱功率晶片的輸入輸出電壓差X電流是晶片的功耗，這就是散熱片的散熱功率。