表面贴装元器件的热设计

Heat Design of SMT Components
            对于电子产品的设计来说，尺寸越小越好。从最新的移动电话到个人数字助理（PDA），消费类电子产品市场关注于在愈来愈小的空间内塞入更加强大的功能。在推动外形尺寸小形化的同时，人们要求产品具有更强的功能和更好的质量。

            但是组装密度的不断提高，形成了局部的高热密度。由于高温会对电子元器件的性能产生非常有害的影响，例如高温会危及到半导体的结点、损伤电路的连接界面，增加导体的阻值和形成机械应力的损伤，因此确保发热电子元器件所产生的热量能够及时排出，是系统组装设计的一个重要方面。电子设备的可靠性及其性能，在很大程度上取决于设备是否具有良好的热设计考虑，以及所采取的散热措施是否有效。

            由于近年来表面贴装技术的应用不断拓展，使得热设计工作更为复杂和困难。这是因为表面贴装类元器件与以往的矩型扁平封装器件相比较，物理形状和尺寸的大小有着显著的不同，表面贴装元器件更趋小型化、微型化，因此表面贴装元器件的冷却比起以往所采用的通孔器件(如双列直插式器件)来说，在印刷电路板上所占的空间更趋紧凑，进一步增加了热密度。

            因为表面贴装元器件相对于其它类型的元器件而言，热设计更为困难，所以近来人们已将注意力转向涉及表面贴装技术的散热问题。从冷却系统的设计、散热片的提供以及严格的热分析，都特别关注在表面贴装技术上的应用。



            表面贴装元器件的热设计特点


            表面贴装技术与以往的通孔组装技术相比较，所采用的热交换方式的选择余地很小。例如，对于采用通孔组装技术的双列直插式器件而言，由于具有接地引脚和电源引脚可与印刷电路板具有热传导和热辐射功能的散热板（例如铜板）相接触，将热量散发出去。而对于采用表面贴装技术的元器件来说，仅能采用表面接触的方式进行散热，由于表面贴装器件的引脚非常细小，因而对于热流而言，其流通截面积受到了很大的限制。


            表面贴装器件的热设计考虑已经超过以住所遇到的电子元器件的热设计考虑，以往所采用的通孔器件的外形尺寸比起表面贴装器件来说大多了，即使通孔器件上具有高热负载，也可以通过附着上常规的金属压制板材，或者采用具有足够散热表面积的、挤压成形的铝散热片来进行冷却。而对表面贴装器件来说，虽然热量的产生通常要小于通孔器件，但是由于表面贴装器件的物理尺寸较小，并且缺乏专门的散热片粘接方法,从表面贴装器件上向外进行热交换的通道受到了很大限制。当在表面贴装器件上粘接一块散热片时，尤其是对采用塑料封装的器件来说，环氧树脂粘接剂将会形成一个显著的热阻，此外在对流或强迫风冷的通道之中，由于表面贴装器件的外形较小，因此表面贴装器件不能有效地进入气流的传热界面层上，导致了热交换系数的降低。而当一个具有特定功耗的芯片安置在较小的表面贴装组件内时，其产生的功率密度就增高了，于是要求有较高的热交换系数，才能保持与通孔器件相一致的温度。


            表面贴装器件的热设计方法

            为了能够有效地解决上述问题，可以从表面贴装器件的内部和外部两方面来采取措施。

            内部热设计方法

            为了提高表面贴装器件的热性能，可以对器件组装本身进行综合的热设计处理。例如，引脚数量众多的方型塑料扁平封装器件(PQFP)的热特性，可以通过增强其内在的冷却性能，使得热传递性能大为改善。其中包括使用铜引脚框架增加引脚框的面积和增加组件内的传热通道将其与引脚框连接起来，将热量通过引脚框传递到器件的外表面。采用了这些热设计措施，将增大方型塑料扁平封装器件的功耗散发量，可以从原来的2瓦左右增至3瓦以上。

            另外，采用其它热设计的方式，也能够改善表面贴装器件的散热性能，其中包括增加管芯尺寸、增加铜材制成的电源线和接地线的面积(对于多层陶瓷组件而言)，以及降低塑料的厚度。

            所有表面贴装元器件内部所增加的热设计措施，将导致费用增加，除此以外，也影响到结构的可靠性。因此，目前正在开展寻找采用外部散热片和冷却措施的研究工作。


            外部热设计方法

            为了能够将表面贴装器件上的热量散发掉，人们尝试了各种方法，其中绝大多数方法同样也适用于通孔工艺情形。有关的系统冷却技术同时适用于表面贴装技术和通孔二种方式。这些技术包括机柜的热管理、机柜和机箱采用自然对流冷却、强迫空气冷却、液体冷却热交换和空气调节器。

            一些常规的电子元器件和印刷电路板上常用的冷却技术，也同样可用在表面贴装器件上，包括传热通道、冷板、焊接散热板、热管、温差致冷、微型风机和充满液体的冷却袋等。

            在表面贴装元器件的顶部安装上散热器，可以显著地增加表面贴装元器件的散热面积。当气流方向不明确的时候，在表面贴装元器件上粘接上正交的铝散热片是非常有效的。

            表面贴装元器件所采用的散热器，绝大多数采用铝材（挤压成形、波纹状板材)，此外还有实心铜散热器，目前正引入采用由金属填充的、具有热传导性能的聚合物材料制造的散热器。采用该散热器具有一定的优势，这种散热器具有适合于塑料器件的热膨胀系数，能够提供较高的热传递性能，它们可以通过粘接胶接在表面贴装器件上。图l显示了聚合物散热器与各类铝制散热器的性能参数比较。所测试的组件外形尺寸为28mm
            28mm，具有l60条引脚的EIAJ方型塑科扁平封装器件。其管芯的外形尺寸为10.2mm l0.2mm，发热为l瓦。组件采用40
            40条引脚的铜框架，它被装在ll4mm 76mm的插件板上进行测试,散热片采用导热环氧树脂进行固定。

            采用表面贴装器件上的散热器能够增加热耗散的面积，这种散热器向外凸出的高度很小，散热片的覆盖面能够占表面贴装元器件长度的30%～50%，且不会妨碍焊点的检查。在组件的散热片位置，通过在其突出部位增加一个挤压成形的凸出物进行加固。此外，为了能够形成最佳的粘接厚度和为了避免胶粘层不均匀，散热片的底部应该采用高度为0.08至0.15mm厚的导向"轨道"。

            散热片的高度应在满足空间尺寸限制的条件下，达到最大限度的允许值。在满足气流条件的情况下，散热片和散热圆柱的密度同样也要达到最高值。粘接散热片的材料最好采用柔性的、填充有银粉的环氧粘接剂。

            对于涉及到高热度的特殊应用场合，或者为了达到最佳的高速工作状态，必须对元器件进行冷却，使之低于环境温度，其中温差致冷是一项有效的技术手段。一般情况下温差致冷颇为麻烦，但温差致冷可以满足定点定位的冷却需要，它几乎可以满足各种尺寸大小的需求。作为一个有源器件(一个热泵)，它要求有输入功率。在接触器件的一侧形成一个致冷端，热量从发热的一端散发出去。例如，某一微信息处理装置采用温差致冷进行低于环境温度的冷却，温差致冷与水冷套管相结合，水冷套管将温差致冷的发热端所散发的热量带走。温差致冷端通过粘接或者压紧装置与发热元器件的表面相连接。

            从表面贴装元器件顶部所散发的热量，同样也可以通过液体所形成的柔性散热器来完成。例如，采用内部注满全氟化碳液体的金属化塑料袋作为柔性散热器，袋中的受热液体通过热对流传导，可以很方便地将器件上所散发的热量传递到袋子的金属化塑料表面。当这散热袋与散热体,例如机壳或机柜壁相接触时，会获得最佳的效果。

            上述充满液体的柔性散热器己经有效地达到2.3W/cm2以上的功率耗散，它一般被使用在自然对流受到约束，或者不能直接采用强迫冷却的特殊场合。

            热管一般来说比起简单的带有散热片的散热器来说，所占用的空间要多，但是其冷却能力却有显著的提高。热管加强了至散热片的热交换能力，并能适应高功率密度的场合需要。典型的热管冷却结构是采用热管和冷却散热片的组合体。它被设计成能够固定在大型和微型元器件的顶部进行散热，在竖直方向采用在铜基层中埋置入热管的方式，该热管一直延伸到散热器上，对于32mm
            32mm 正方形的表面贴装器件而言，采用高度大于25.4mm 的散热器,在强迫风冷的状态下能够耗散掉60W的热量。

            同样,也可以通过直接在印刷电路板上安装上小型散热器来实现单个元器件或一组元器件的冷却，这种小型散热器能够小于25.4mm 25.4mm。

            除表面贴装器件顶部的冷却以外，可以再在其底部进行冷却以获得冷却效果的进一步加强，或者采用底部冷却来替换顶部的冷却。底部冷却最简便的方式是在印刷电路板的底部粘上一块金属板，然而采用这种方式的话，元器件底部的热量必须通过印刷电路板的自身的厚度才能得以传导。一个常用的工艺方式是在元器件的下面提供一定数量的通道，这些通道被制成通孔形式，焊锡被灌注在其中。热通道将元器件底部的热量，通过印刷电路板传递到安装在板子另外一个侧面的冷板上进行热交换(见图2)。

            但金属板的使用受到了一定的限制，它只能适用于表面贴装器件安装在印刷电路板一侧的情形。对简单传导来说，只使用硬铝制造的金属板。但对于散热要求较高的场合来说，可以采用空芯的冷板结构，它能够容纳流动的液体，从而加强了热交换的作用。

            例如,美国Lockhart公司在某一海军的标准电子模块(SEM)中采用了冷板结构，采用表面贴装技术的陶瓷基片被固定在冷板的表面上，特别值得一提的是，绝大多数的器件底下安装有散热通道。SEM所采用的冷板在每个侧边开有水的入口和出口的接管嘴。此外它还带有起锁定作用的金属构件，使之连成一体。冷板每侧的水入口和出口管嘴端被压入和密封在机箱壁中的流体通道之中，从而进行良好的热交换。整齐排列的52块SEM液体模块，被安装在复式框架机箱之中，在水的流速为6.3
            l0-6 m3/s时,每块冷板能散发200W的热量。

            冷板同样也能同热管结合在一起，热管能够将热量从印刷电路板的中间传递到板的边缘，然后热量被传递到机箱壁上。扁平的热管被夹持在两层薄薄的、经过阳极氧化处理的铝板之间，从而形成了一块具有良好热交换能力的冷板，该组件能够被制成各种各样的形式。


            在采用表面贴装元器件的场合(见图3)，采用具有电路的超薄的导热绝缘固态金属板也是一项非常有效的散热设计方法。它使得很大功率表面贴装元器件的冷却问题简单化了。绝缘层被安置在形成电路走线的铜箔外层上，该金属板能够采用铜材也可以采用铝材。



            结束语


            对于电子设计而言，无论采用的是表面贴装元器件还是通孔器件，热管理技术包括3级最基本的热传递考虑。这3级分别为：元器件级、印刷电路板级和机箱或机柜级。所有这3级都必须保证在综合发挥效用以后，能够满足从半导体结点上散发的热量，顺利地传递到外部环境空间之中去。


            为了着手有效的热管理，首先应该对下列问题有个清晰的了解：

            1.在保证电子设计具有高可靠性的前提下，所允许的最高器件结温或器件组件的温度应该是多少？

            2.怎样使一个器件至另一个器件的温度均匀一致？若不均匀一致的话，那将会对设备产生什么样的影响?
            (采用高速电路设计时，将会对不均匀一致的温度产生颇为敏感的反应)。

            3.如果在电子设备中采用了风扇，那么一旦风扇发生了故障，将会对整个系统产生什么样的影响？在没有风扇进行空气循环冷却的情形下，设备能够正常工作多久?
            为了能够抵御风扇失效所产生的危害，那些元器件是否需要增加额外的保护措施？

            4.怎样对通过电子设备的气流进行控制以确保足够的冷却效果？如果空气流量不足，会对电子设备产生什么样的影响？通过散热器翼片的气流是否合适？是否需要采用气流隔板，使气流直接接触到要冷却的元器件表面？

            为了寻找以上问题的答案，现在一些公司研制了使用计算机进行热分析的软件，并开发了拥有知识产权的程序。在有的热分析软件中，能够反映出在电子设备中预示温度的等温线，在安装有散热器的特殊元器件以及周围，具有空气速度矢量显示，它能反映出空气的运动方向和速度。

            采用热分析程序可以确切地回答下述有关元器件热设计的重要问题：

            1.元器件将暴露在何种类型的热环境之中？2.对于满足元器件的热特性而言，最小的气流速度是多少？最佳的气流方向是什么？3.处于临界状态的元器件对其四周围邻近的器件，将会产生什么样的影响？

            为了能够提高电子产品的可靠性，有关设计人员必须重视对表面贴装元器件的热设计工作，从而确保产品功能的正常发挥。

终于把20页的浏览了一遍！！！