信息来源：罗姆半导体集团、做个热设计
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什么是热设计？
在电子设备的设计中，一直需要解决小型化、高效化、EMC（电磁兼容性）等课题，近年来，半导体元器件的热对策已经越来越受到重视，半导体元器件的热设计已成为新的课题。由于“热”涉及到元器件和设备的性能、可靠性以及安全性，因此一直以来都是重要研究项目之一。近年来对电子设备的要求已经发生变化，因此有必要重新审视以往的方法。 在“电子设备中半导体元器件的热设计”中，原则上，我们将以电子设备使用的IC和晶体管等半导体产品为前提来讨论热设计相关的话题。 半导体元器件规定了封装内部的芯片温度，即结点（接合部）温度的绝对最大额定值Tjmax。在设计时，需要对发热和环境温度进行研究，以确保产品的结温不超过Tjmax。因此，会对所有要使用的半导体元器件进行热计算，以确认是否超过了Tjmax。如果可能超过Tjmax，就要采取降低损耗或散热措施，以使Tjmax保持在最大额定值范围之内。简而言之，这就是热设计。 当然，在电子设备中不仅使用半导体产品，而且还使用电容器、电阻及电机等各种部件，并且每个部件都具有与温度和功耗有关的绝对最大额定值，因此，在实际设计时，组成设备的所有部件都不能超过温度相关的最大额定值。 在设计阶段进行良好热设计的必要性 如果在设计阶段没有认真地进行热设计并采取相应的措施，可能会在产品试制阶段甚至要投入量产时发现热引起的问题。虽然问题不仅限于热，但是越接近量产阶段，采取对策所需的时间越多，成本也越高，甚至会出现产品交货延迟，导致错失商机的大问题。最坏的情况是在市场中才出现问题，从而导致召回和信用问题。 尽管我们不愿意去想象热引发的问题，但热处理不当非常有可能引发冒烟、起火、甚至火灾等涉及人身安全的问题，所以，热设计从根本上讲是非常重要的。因此，从开始阶段就必须切实地做好热设计。 热设计越来越重要 近年来，对于电子设备来说，小型化和高性能化的要求已变得理所当然，也因此促进了进一步集成化。具体来讲表现为元器件数量更多，电路板上的安装密度更高，外壳尺寸更小。结果是导致发热密度显著增加。 首先需要认识到的是，随技术发展趋势的变化，热设计变得比以往任何时候都更加严苛。如前所述，设备不仅要求元器件日益“小型化”和“高性能化”，而且还要求出色的“设计灵活性”，因此热对策（散热措施）已经成为一个很大的课题。由于热设计有助于提高设备的可靠性、安全性并降低总成本，因而变得越来越重要。
02
技术发展趋势的变化和热设计
近年来，“小型化”、“高功能化”、“设计灵活性”已经成为半导体元器件技术发展趋势。在此我们需要考虑的是半导体元器件的这些趋势将对热和热设计产生怎样的影响。 “小型化” 产品的小型化需求，推动了IC、安装电路板、其他电容器等元器件的小型化。在半导体元器件的小型化进程中，例如封装在以往TO-220之类的通孔插装型较大封装中的IC芯片，如今封装在小得多的表面贴装型封装中的情况并不少见。
而且，还采用了一些提高集成度的方法。例如将同一封装中搭载的IC芯片调整为2个将其双重化，或者通过放入相当于2个芯片的芯片来提高集成度，从而增加单位面积的功能（功能面积比）。 这样的元器件小型化和高度集成，将会使发热量增加。实例如下所示。左侧的热图像是封装小型化的示例，是功耗相同的20×20×20mm封装和10×10×10mm封装的比较示例。很明显，较小封装中表示高温的红色更为集中，即发热量更大。右侧为高集成度的示例，对相同尺寸封装中使用1枚芯片和2枚芯片的产品进行对比时，可以明显看到温度的差异也非常明显。 
而且还进行了高密度安装，即将小型化、高度集成后的元器件高密度且双面安装在小型电路板上，然后将电路板装满壳体。 
高密度安装减少了散热到电路板上的表面贴装型器件的有效散热范围，发热量增加。若壳体内的环境温度较高，可以散发的热量会减少。从结果来看，虽然原来只有发热元器件周围为高温，但现在整个电路板都呈高温状态。这甚至导致发热量较小的元器件温度升高。 要想提高设备的功能，需要增加元器件，或使用集成规模更大、能力更高IC，并且还需要提高数据的处理速度、提高信号的频率等。这些方法使功耗呈日益增加趋势，最终导致发热量增加。此外，在处理高频时，为了抑制噪声辐射，很多情况需要进行屏蔽处理。由于热量会蓄积在屏蔽层内，因此对于屏蔽层内的元器件而言，温度条件变得更差。而且很难以提高功能为理由而扩大设备尺寸，因此会变成上述的高密度状态，从而导致壳体内的温度升高。 “设计灵活性” 为了使产品与众不同或体现美感，越来越多的产品开始重视设计性，甚至优先考虑设计灵活性。其弊端在于，由于过度地高密度安装和无法合理散热而导致壳体出现高温的情况。简而言之，就是手拿着便携设备，会觉得很烫。为了提高元器件的设计灵活性，即外形的自由度，如上所述可采用小型或扁平的产品，但是更加优先考虑设计灵活性的产品不在少数。 问题不仅仅在于发热量增加和散热困难 如上所述，由于“小型化”、“高功能化”、“设计灵活性”这三种技术发展趋势的变化，已经导致发热量增加，相应地，散热也变得更难。因此热设计面临着更严苛的条件和要求。确实这是一个非常大的问题，但同时还有一个问题需要我们去考量。
来源：深圳市贝思科尔软件技术有限公司
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