中心議題：

• 表面貼裝元器件的熱設計特點

解決方案：

• 內部熱設計方法
• 外部熱設計方法
• 有關設計人員必須重視對表面貼裝元器件的熱設計工作

對于電子產品的設計來說，尺寸越小越好。從最新的移動電話到個人數字助理（PDA），消費類電子產品市場關注于在愈來愈小的空間內塞入更加強大的功能。在推動外形尺寸小形化的同時，人們要求產品具有更強的功能和更好的質量。

但是組裝密度的不斷提高，形成了局部的高熱密度。由于高溫會對電子元器件的性能產生非常有害的影響，例如高溫會危及到半導體的結點、損傷電路的連接界面，增加導體的阻值和形成機械應力的損傷，因此確保發(fā)熱電子元器件所產生的熱量能夠及時排出，是系統組裝設計的一個重要方面。電子設備的可靠性及其性能，在很大程度上取決于設備是否具有良好的熱設計考慮，以及所采取的散熱措施是否有效。

由于近年來表面貼裝技術的應用不斷拓展，使得熱設計工作更為復雜和困難。這是因為表面貼裝類元器件與以往的矩型扁平封裝器件相比較，物理形狀和尺寸的大小有著顯著的不同，表面貼裝元器件更趨小型化、微型化，因此表面貼裝元器件的冷卻比起以往所采用的通孔器件(如雙列直插式器件)來說，在印刷電路板上所占的空間更趨緊湊，進一步增加了熱密度。

因為表面貼裝元器件相對于其它類型的元器件而言，熱設計更為困難，所以近來人們已將注意力轉向涉及表面貼裝技術的散熱問題。從冷卻系統的設計、散熱片的提供以及嚴格的熱分析，都特別關注在表面貼裝技術上的應用。

表面貼裝元器件的熱設計特點

表面貼裝技術與以往的通孔組裝技術相比較，所采用的熱交換方式的選擇余地很小。例如，對于采用通孔組裝技術的雙列直插式器件而言，由于具有接地引腳和電源引腳可與印刷電路板具有熱傳導和熱輻射功能的散熱板（例如銅板）相接觸，將熱量散發(fā)出去。而對于采用表面貼裝技術的元器件來說，僅能采用表面接觸的方式進行散熱，由于表面貼裝器件的引腳非常細小，因而對于熱流而言，其流通截面積受到了很大的限制。

表面貼裝器件的熱設計考慮已經超過以住所遇到的電子元器件的熱設計考慮，以往所采用的通孔器件的外形尺寸比起表面貼裝器件來說大多了，即使通孔器件上具有高熱負載，也可以通過附著上常規(guī)的金屬壓制板材，或者采用具有足夠散熱表面積的、擠壓成形的鋁散熱片來進行冷卻。而對表面貼裝器件來說，雖然熱量的產生通常要小于通孔器件，但是由于表面貼裝器件的物理尺寸較小，并且缺乏專門的散熱片粘接方法,從表面貼裝器件上向外進行熱交換的通道受到了很大限制。當在表面貼裝器件上粘接一塊散熱片時，尤其是對采用塑料封裝的器件來說，環(huán)氧樹脂粘接劑將會形成一個顯著的熱阻，此外在對流或強迫風冷的通道之中，由于表面貼裝器件的外形較小，因此表面貼裝器件不能有效地進入氣流的傳熱界面層上，導致了熱交換系數的降低。而當一個具有特定功耗的芯片安置在較小的表面貼裝組件內時，其產生的功率密度就增高了，于是要求有較高的熱交換系數，才能保持與通孔器件相一致的溫度。

表面貼裝器件的熱設計方法

為了能夠有效地解決上述問題，可以從表面貼裝器件的內部和外部兩方面來采取措施。

內部熱設計方法

為了提高表面貼裝器件的熱性能，可以對器件組裝本身進行綜合的熱設計處理。例如，引腳數量眾多的方型塑料扁平封裝器件(PQFP)的熱特性，可以通過增強其內在的冷卻性能，使得熱傳遞性能大為改善。其中包括使用銅引腳框架增加引腳框的面積和增加組件內的傳熱通道將其與引腳框連接起來，將熱量通過引腳框傳遞到器件的外表面。采用了這些熱設計措施，將增大方型塑料扁平封裝器件的功耗散發(fā)量，可以從原來的2瓦左右增至3瓦以上。

另外，采用其它熱設計的方式，也能夠改善表面貼裝器件的散熱性能，其中包括增加管芯尺寸、增加銅材制成的電源線和接地線的面積(對于多層陶瓷組件而言)，以及降低塑料的厚度。

所有表面貼裝元器件內部所增加的熱設計措施，將導致費用增加，除此以外，也影響到結構的可靠性。因此，目前正在開展尋找采用外部散熱片和冷卻措施的研究工作。

外部熱設計方法

為了能夠將表面貼裝器件上的熱量散發(fā)掉，人們嘗試了各種方法，其中絕大多數方法同樣也適用于通孔工藝情形。有關的系統冷卻技術同時適用于表面貼裝技術和通孔二種方式。這些技術包括機柜的熱管理、機柜和機箱采用自然對流冷卻、強迫空氣冷卻、液體冷卻熱交換和空氣調節(jié)器。

一些常規(guī)的電子元器件和印刷電路板上常用的冷卻技術，也同樣可用在表面貼裝器件上，包括傳熱通道、冷板、焊接散熱板、熱管、溫差致冷、微型風機和充滿液體的冷卻袋等。

在表面貼裝元器件的頂部安裝上散熱器，可以顯著地增加表面貼裝元器件的散熱面積。當氣流方向不明確的時候，在表面貼裝元器件上粘接上正交的鋁散熱片是非常有效的。

表面貼裝元器件所采用的散熱器，絕大多數采用鋁材（擠壓成形、波紋狀板材)，此外還有實心銅散熱器，目前正引入采用由金屬填充的、具有熱傳導性能的聚合物材料制造的散熱器。采用該散熱器具有一定的優(yōu)勢，這種散熱器具有適合于塑料器件的熱膨脹系數，能夠提供較高的熱傳遞性能，它們可以通過粘接膠接在表面貼裝器件上。圖l顯示了聚合物散熱器與各類鋁制散熱器的性能參數比較。所測試的組件外形尺寸為28mm 28mm，具有l(wèi)60條引腳的EIAJ方型塑科扁平封裝器件。其管芯的外形尺寸為10.2mm l0.2mm，發(fā)熱為l瓦。組件采用40 40條引腳的銅框架，它被裝在ll4mm 76mm的插件板上進行測試,散熱片采用導熱環(huán)氧樹脂進行固定。

采用表面貼裝器件上的散熱器能夠增加熱耗散的面積，這種散熱器向外凸出的高度很小，散熱片的覆蓋面能夠占表面貼裝元器件長度的30%～50%，且不會妨礙焊點的檢查。在組件的散熱片位置，通過在其突出部位增加一個擠壓成形的凸出物進行加固。此外，為了能夠形成最佳的粘接厚度和為了避免膠粘層不均勻，散熱片的底部應該采用高度為0.08至0.15mm厚的導向"軌道"。

散熱片的高度應在滿足空間尺寸限制的條件下，達到最大限度的允許值。在滿足氣流條件的情況下，散熱片和散熱圓柱的密度同樣也要達到最高值。粘接散熱片的材料最好采用柔性的、填充有銀粉的環(huán)氧粘接劑。

對于涉及到高熱度的特殊應用場合，或者為了達到最佳的高速工作狀態(tài)，必須對元器件進行冷卻，使之低于環(huán)境溫度，其中溫差致冷是一項有效的技術手段。一般情況下溫差致冷頗為麻煩，但溫差致冷可以滿足定點定位的冷卻需要，它幾乎可以滿足各種尺寸大小的需求。作為一個有源器件(一個熱泵)，它要求有輸入功率。在接觸器件的一側形成一個致冷端，熱量從發(fā)熱的一端散發(fā)出去。例如，某一微信息處理裝置采用溫差致冷進行低于環(huán)境溫度的冷卻，溫差致冷與水冷套管相結合，水冷套管將溫差致冷的發(fā)熱端所散發(fā)的熱量帶走。溫差致冷端通過粘接或者壓緊裝置與發(fā)熱元器件的表面相連接。

從表面貼裝元器件頂部所散發(fā)的熱量，同樣也可以通過液體所形成的柔性散熱器來完成。例如，采用內部注滿全氟化碳液體的金屬化塑料袋作為柔性散熱器，袋中的受熱液體通過熱對流傳導，可以很方便地將器件上所散發(fā)的熱量傳遞到袋子的金屬化塑料表面。當這散熱袋與散熱體,例如機殼或機柜壁相接觸時，會獲得最佳的效果。

上述充滿液體的柔性散熱器己經有效地達到2.3W/cm2以上的功率耗散，它一般被使用在自然對流受到約束，或者不能直接采用強迫冷卻的特殊場合。

熱管一般來說比起簡單的帶有散熱片的散熱器來說，所占用的空間要多，但是其冷卻能力卻有顯著的提高。熱管加強了至散熱片的熱交換能力，并能適應高功率密度的場合需要。典型的熱管冷卻結構是采用熱管和冷卻散熱片的組合體。它被設計成能夠固定在大型和微型元器件的頂部進行散熱，在豎直方向采用在銅基層中埋置入熱管的方式，該熱管一直延伸到散熱器上，對于32mm 32mm 正方形的表面貼裝器件而言，采用高度大于25.4mm 的散熱器,在強迫風冷的狀態(tài)下能夠耗散掉60W的熱量。

同樣,也可以通過直接在印刷電路板上安裝上小型散熱器來實現單個元器件或一組元器件的冷卻，這種小型散熱器能夠小于25.4mm 25.4mm。

除表面貼裝器件頂部的冷卻以外，可以再在其底部進行冷卻以獲得冷卻效果的進一步加強，或者采用底部冷卻來替換頂部的冷卻。底部冷卻最簡便的方式是在印刷電路板的底部粘上一塊金屬板，然而采用這種方式的話，元器件底部的熱量必須通過印刷電路板的自身的厚度才能得以傳導。一個常用的工藝方式是在元器件的下面提供一定數量的通道，這些通道被制成通孔形式，焊錫被灌注在其中。熱通道將元器件底部的熱量，通過印刷電路板傳遞到安裝在板子另外一個側面的冷板上進行熱交換(見圖2)。

但金屬板的使用受到了一定的限制，它只能適用于表面貼裝器件安裝在印刷電路板一側的情形。對簡單傳導來說，只使用硬鋁制造的金屬板。但對于散熱要求較高的場合來說，可以采用空芯的冷板結構，它能夠容納流動的液體，從而加強了熱交換的作用。

例如,美國Lockhart公司在某一海軍的標準電子模塊(SEM)中采用了冷板結構，采用表面貼裝技術的陶瓷基片被固定在冷板的表面上，特別值得一提的是，絕大多數的器件底下安裝有散熱通道。SEM所采用的冷板在每個側邊開有水的入口和出口的接管嘴。此外它還帶有起鎖定作用的金屬構件，使之連成一體。冷板每側的水入口和出口管嘴端被壓入和密封在機箱壁中的流體通道之中，從而進行良好的熱交換。整齊排列的52塊SEM液體模塊，被安裝在復式框架機箱之中，在水的流速為6.3 l0-6 m3/s時,每塊冷板能散發(fā)200W的熱量。

冷板同樣也能同熱管結合在一起，熱管能夠將熱量從印刷電路板的中間傳遞到板的邊緣，然后熱量被傳遞到機箱壁上。扁平的熱管被夾持在兩層薄薄的、經過陽極氧化處理的鋁板之間，從而形成了一塊具有良好熱交換能力的冷板，該組件能夠被制成各種各樣的形式。

在采用表面貼裝元器件的場合，采用具有電路的超薄的導熱絕緣固態(tài)金屬板也是一項非常有效的散熱設計方法。它使得很大功率表面貼裝元器件的冷卻問題簡單化了。絕緣層被安置在形成電路走線的銅箔外層上，該金屬板能夠采用銅材也可以采用鋁材。

結束語

對于電子設計而言，無論采用的是表面貼裝元器件還是通孔器件，熱管理技術包括3級最基本的熱傳遞考慮。這3級分別為：元器件級、印刷電路板級和機箱或機柜級。所有這3級都必須保證在綜合發(fā)揮效用以后，能夠滿足從半導體結點上散發(fā)的熱量，順利地傳遞到外部環(huán)境空間之中去。

為了著手有效的熱管理，首先應該對下列問題有個清晰的了解：

1.在保證電子設計具有高可靠性的前提下，所允許的最高器件結溫或器件組件的溫度應該是多少？

2.怎樣使一個器件至另一個器件的溫度均勻一致？若不均勻一致的話，那將會對設備產生什么樣的影響? (采用高速電路設計時，將會對不均勻一致的溫度產生頗為敏感的反應)。

3.如果在電子設備中采用了風扇，那么一旦風扇發(fā)生了故障，將會對整個系統產生什么樣的影響？在沒有風扇進行空氣循環(huán)冷卻的情形下，設備能夠正常工作多久? 為了能夠抵御風扇失效所產生的危害，那些元器件是否需要增加額外的保護措施？

4.怎樣對通過電子設備的氣流進行控制以確保足夠的冷卻效果？如果空氣流量不足，會對電子設備產生什么樣的影響？通過散熱器翼片的氣流是否合適？是否需要采用氣流隔板，使氣流直接接觸到要冷卻的元器件表面？

為了尋找以上問題的答案，現在一些公司研制了使用計算機進行熱分析的軟件，并開發(fā)了擁有知識產權的程序。在有的熱分析軟件中，能夠反映出在電子設備中預示溫度的等溫線，在安裝有散熱器的特殊元器件以及周圍，具有空氣速度矢量顯示，它能反映出空氣的運動方向和速度。

采用熱分析程序可以確切地回答下述有關元器件熱設計的重要問題：

1.元器件將暴露在何種類型的熱環(huán)境之中？2.對于滿足元器件的熱特性而言，最小的氣流速度是多少？最佳的氣流方向是什么？3.處于臨界狀態(tài)的元器件對其四周圍鄰近的器件，將會產生什么樣的影響？

為了能夠提高電子產品的可靠性，有關設計人員必須重視對表面貼裝元器件的熱設計工作，從而確保產品功能的正常發(fā)揮。