单板热设计培训教材
整机工程部热技术研究部 HUAWEI
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
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一、热设计基础知识
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 )/δ
Newton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。
1、热量传递的三种基本方式
导热: 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400 W/(m*℃），纯铝的导热系数为236 W/(m*℃），水的导热系数为0.6 W/(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。热设计 https://www.resheji.com
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。
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）。
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。
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。
2、热阻的概念
对导热和对流换热的公式进行变换：
Fourier导热公式：Q=λA(Th-Tc)/δ Q=(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（thermal resistance）， 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。
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。
二、器件热特性
1、认识器件热阻
JEDEC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 )/P
Tj ——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，℃
θja 热阻参数是封装的品质度量(Figure of Merit)，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。
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(Figure of Merit)，针对的是2s2p PCB，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。
2、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（mold compound）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lead Frame传递到PWB，lead frame和die之间是极细的键合线 （golden wire），因此die和leadframe之间存在很大的导热热阻，限制了管脚散热。
影响PBGA Rjc和Rja热阻的因素有很多，从重要程度看依次是：
1）thermal ball的个数
2）die的尺寸
3）substrate的结构，包括铜皮层数，铜皮厚度
4）die attachment 材料的导热系数
5）gold wire的直径
6）PWB上导热过孔的数量。
其中，前5个因素与器件本身的设计相关，因素6与PWB设计相关
案例：不要被表面的金属欺骗
一些PBGA芯片在表面贴铜块强化散热，由于mold的导热系数很低，该金 属封装表面仍为辅助散热，关键散热路径仍在封装的底部。
需要了解器件内部的封装结构选择散热方案！
热量传递方式：
Die的热量传递 给上表面的铜 块，部分热量通 过铜块传递到环 境中；另外部分 热量通过铜块依 次传递给芯片的 基板、焊球、 PWB后，通过 PWB散热。
当FC－BGA封装热耗在1～6W时，可以采用直接强迫对流散 热，Rja的范围在8～12℃/W；当热耗在4～10W时，需要加散热器 强化散热，Rja的范围在5～10℃/W；当热耗为8～25W时，需要高 端的散热器配合合适的风道来进行强化散热。
TO器件的散热往往需要较大的的铜皮， 那么对于面积紧张的单板如何来实现？
按重要程度依次为：
1）过孔
2）单板的层结构（地层或者电源层的位置）
3）地层或者电源层的铜皮厚度
4）焊盘厚度
好的单板散热方案必须针对器件的散热特性进行设计!
THD器件的管脚数量少，焊接后封装也不紧贴单板，与单板的热关联性很 小，该类器件的热量都是通过器件表面散到环境中。因此早期的器件散热研究 比较注重于器件表面的空气流动，以期获得比较高的器件表面对流换热系数。
SMD器件集成度高，热耗也大，是散热关注的重点。该类器件的管脚/焊 球数量多，焊接后封装也紧贴单板，与单板建立起紧密的换热联系，散热方案 必须从单板整体散热的角度进行分析。SMD器件针对散热需求也出现了多种强 化散热的封装，这些封装的种类繁多，但从散热角度进行归纳分类，以引脚封 装和焊球封装最为典型，其它封装的散热特性可以参考这两种类推。
PGA类的针状管脚器件基本忽略单板散热，以表面散热为主，例如CPU等。
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