电子元器件结构与散热设计的可行性分析

结构与散热设计的可行性分析

当器件工作时，器件功耗的绝大部分能量将以热能的方式散发出去。每个器件都有一个能够稳定工作的温度范围，根据器件工作温度的范围，常见元器件的温度等级有以下三类：商业级温度定额为0～70℃；工业级温度定额为-40～85℃；军品级温度定额为-55～125℃。也有些专用应用范围的芯片有特殊的温度等级，如汽车级（-40～125℃），航天级（-55～125℃且经过辐射测试）等。器件的工作温度范围要求在Datasheet中以结温或壳温定义，一旦超过这个范围，器件的性能就会受到影响。

在结构与散热设计的可行性分析中，在满足结构可装配性的前提下，可以从以下几个方面来考虑：器件自身的功耗情况、器件因自身发热对周围器件的影响和散热通道的处理。

1.器件自身的功耗情况

在结构与热设计可行性分析阶段，需要设计者去评估每个芯片的最大功耗。对于散热的处理目前一般有如下几种方式：利用PCB上的接地焊盘进行散热处理（如图2-20所示）、在结构装配允许的情况下添加额外的散热片（如图2-21所示）、使用散热风扇或散热导管（如图2-22所示）。在使用散热片进行散热时，为减小散热片与芯片外壳之间的热阻，一般会使用导热材料，如硅脂、导热胶、导热垫、相变导热膜和导热双面胶等。

导热脂（如图2-23所示）通常是指由复合型导热固体填料、高温合成油（基础油如硅油），并加有稳定剂和改性添加剂调配而成的均匀膏状物质，常用的导热脂为白色，也有灰色或金色等颜色。导热颗粒通常采用氧化锌、氧化铝、氮化硼、氧化银、银粉和铜粉等。导热硅脂为最常见的界面导热材料，常采用印刷或点涂方式进行施加；导热硅脂用于散热器和器件之间，散热器采用机械固持，最主要的优点是维修方便，价格便宜；因可以很好地润湿散热器和器件表面，减小接触热阻，所以其导热热阻很小，适合大功率器件的散热；使用时需要印刷或点涂，操作费时，工艺控制要求较高，难度大。

硅脂厚度与热阻、组装压力的关系图如图2-24所示，从图中可以看出，厚度越薄，热阻越小，因此使用时要控制厚度。推荐印刷工装的钢网厚度采用0.08～0.12mm，对于平面度较差的装配，可适当增加钢网的厚度。

图2-24硅脂厚度与热阻、组装压力的关系图

导热胶（如图2-25所示）主要由胶黏剂与导热颗粒组成，施加前是

膏状混合物，施加后在一定的时间和条件下分子交联固化。常用的导热胶按照胶体类型可以分为环氧树脂系（Epoxy Based）、丙烯酸系（Acrylic Based）和有机硅系（Silicone Based）；按照组分分为单组分和双组分。导热胶的特点是：具有较好的粘结作用，不需机械固持；双组分，但无须混合，一边涂胶，一边涂固化水，具有使用方便，常温固化，固化条件简单、固化速度快等优点；导热系数低（约

0.8W/m·K），只适用于小功率器件的散热；导热界面层的厚度一般

在4～5mil之间；可返修；对散热器表面状态敏感，表面污染的器件或散热器的结合力弱；现场工艺控制严格，胶层太厚或固化水太多都会影响结合力。Loctite315丙烯酸系导热胶是目前常采用的导热胶。导热垫（如图2-26所示）主要用于当半导体器件与散热表面之间有

较大间隙需要填充，或几个芯片要同时共用散热器或散热底盘时但间隙不一样的场合，或加工公差加大的场合和表面粗粗糙度较大的场合。由于导热垫的弹性，使得导热垫能减振，防止冲击，且便于安装和拆

卸。

相变导热膜（如图2-27所示）的特点是：具有一定的相变温度，一般在40°～70°；使用时需要机械固定，一般需实现5～20psi的界面压力；热阻最低可以达到0.01℃.In2/W，适用于大功率器件的界面导热；材料厚度一般在3～5mil；可分为绝缘型和非绝缘型两大类，绝缘型的可以用于需要绝缘的场所。

相变导热膜的优点是：可根据安装环境制备成合适的尺寸，便于安装，效率和利用率高，组

装成本较低；多为石蜡及其改性材料，环保无污染，能满足环护要求；具有较低的热阻、相变特性、触变性、优良的润湿性；绝缘特性好，可以适用于有绝缘要求的界面；厚度一定，热阻可控性好。相变导热膜的缺点：无粘结作用、需机械固持；使用过程中需发生相变，方可

很好地润湿界面。

导热双面胶带（如图2-28所示）是胶黏剂中的特殊类型，其将添加

有导热填料的胶液涂于基材上，形成双面胶带状的界面导热材料。双面胶带可分为溶剂活化型、加热型和压敏型。导热双面胶带绝大部分属于压敏胶粘带。导热双面胶带由压敏胶黏剂、基材、底层处理剂、背面处理剂和隔离纸组成。其特点是：可根据界面形状灵活制备成各种形状；具有较好的粘结力，某些场合下可以取代螺钉固定；导热系数一般较低，多用于小功率器件；操作方便简单。

对于内置外度传感器的高速IC，当PCB上的器件的温度超过其阈值后，会向外输出温度超过过阈值的报警信息，在可行性分析阶段，可以将此类芯片归类，统一由主控制器进行监控。

在进行散热可行性分析时，要考虑温度的可测试性，温度的测试分为接触性测试和非接触性测试。接触性测试一般采用差分温度探头，测试时需要搭建温度测试环境，需要将温度探头固定在待测芯片的周边，如图2-29所示，通道2（LED2）用于测试LED灯的底部温度值。非接触性测试一般采用红外探测的方式，较接触性测试方便，但精度不如

接触性测试高。