第4章 散热方式的选择

使用自然散热。

实际上，对于这类产品，使用自然散热解决 70W 是非常困难的。与这一产品尺寸类似的索尼 PlayStation 经典机型 PS4，如图 4-2 所示，其设计功耗约为 150W，内部使用了大尺寸的涡轮风扇，并进行了精心的风道设计和散热齿优化设计，才得以将产品发出的热量及时散

失掉。自然对流换热系数的大小与换热表面的材质、形状以及所处的温度紧密相关，设计者必须清楚自己所设计的产品类型中表面换热系数的大致范围。这一数值在设计前期，尤其是对于没有足够工程设计经验的工程师，最好进行建模仿真模拟，或者制造模拟样机进行实测。

再根据图 4-3 所示的体积功率密度来核算。假设上述产品的外壳材质是塑料，按照 \(0.015 \, W/cm^{3}\) 来核算，自然散热状态下，能够解决的热量约为

\[ P = \left(0. 0 1 5 \times \frac {2 5 0}{1 0} \times \frac {3 0 0}{1 0} \times \frac {5 0}{1 0}\right) \mathrm{W} = 5 6. 2 5 \mathrm{W} \tag {4-1} \]

通过体积功率密度限制计算的结果介于前述表面热流密度计算出的 30.75W 和 71.75W 之间。不难发现，经验公式计算出的结果范围是很广的。对于体积功率密度限制这种方法，很明显的一个漏洞是：相同体积的产品，表面积可能完全不同，比如超薄的平板和立方体式的智能音箱。这将导致估算结果与实际情况差异很大。因此，散热形式的选择必须结合产品特点和温度相关需求进行具体分析，上述分析被认为可以用来定性评估当前措施的风险大小。上述虚构的例子，可以断定解决 30W 风险不大，但假如设计目标进入了计算结果的重叠区，比如期望设计功耗为 55W，关于散热风险的结论就不好给出了。在这种情况下，务必要实事求是，秉持对项目组负责的态度，客观说明原因，通过咨询有足够设计经验的工程师，或制造模拟样机进行测试后再下断言。

4.2 自然散热

自然散热应用广泛，大街小巷随处可见的手机、平板、智能手表等，全部都是自然散热设计。宏观来讲，任何没有动力元件的电子产品，其散热方式均为自然散热。自然散热是目前应用最为广泛的散热方式，如图 4-4 所示。与其他散热方式相比，其优势是稳定性高、不引入噪声和振动、不主动引入灰尘和成本相对较低。

在自然散热中，空气流速相对较慢，产品与空气之间的对流换热强度不高。这时，辐射换热所占的比例往往不可忽略。从热量传递角度上讲，自然产品散热的优化设计思路包含以下几点（详细阐述见第 16 章）：

4.3 强迫风冷

当产品功率密度较大时，自然对流散热无法将元器件温度控制在合理的范围内，就需要装配动力元件，加强内部空气的流动，提高换热效率。最常见的动力元件就是风扇。一般来讲，装配有风扇的产品，其散热方式就认为是强制风冷。

相对自然散热，强迫风冷的优点是散热能力更强。其缺点除了成本更高和可靠性更差之外，还引入了噪声和灰尘两个因素。另外，通风的设计通常需要设备外壳开孔，从而会影响外观和防水、防尘设计。正因如此，强迫风冷的环境适应性远不及自然散热（许多场景，比如多灰尘、要求安静、需要严格防水等情况不

适宜使用强迫风冷）。

图 4-5 所示为几种常见的强制风冷产品。

在强制风冷散热中，由于加入了风扇这一主动元件，热设计的灵活性大大增加。与自然散热最大的区别是，由于对流换热效率的提高，辐射换热的贡献大幅度减小。通常情况下，强迫风冷的散热设计中会忽略辐射换热因素。从热量传递角度上分析，强迫风冷产品散热的优化设计思路包含以下几点：

强制风冷中，风扇的选型是整个产品热设计的核心要点。风扇的选型将全面影响风道设计、散热器设计、噪声控制、防尘设计等多个方面。而且，由于是主动元件，风扇的可靠性还是强制风冷方案长期稳定性的重要风险点。因此，强制风冷的设计中，需要尤其关注风扇的设计选型。在众多散热物料中，风扇的生产制造过程相对导热界面材料、散热器等也复杂一些（涉及空气动力学、电磁、噪声、材料等），热设计工程师需要深入了解其散热相关特性参数（风量、风压、噪声等）。

4.4 间接液冷

当产品功率密度进一步增加，或者温度控制要求更加严格时，就需要换热效率更高的散热设计手段。汽车发动机是最早使用间接液冷的产品之一。在电子产品领域，间接液冷目前也已经广泛用于服务器、动力电池包、逆变器等设备中，如图 4-6 所示。

在间接液冷中，电子元器件并不直接接触液态的传热介质。换言之，此处的液冷介质只是一种移热介质，它的作用是将元器件发出的热量转移到便于与外界进行换热的空间。根据热力学第一定律，热量既不会增多，也不会减少。热量被液体转移到远离热源的位置后，仍然需要流经换热器将热量传递给外界。这样就组成了一个闭环：元器件的热量传递给液冷介质，液冷介质温度升高，高温的液冷介质流经换热器时与外界进行换热，温度降低，又流回元器件侧，吸收热量。整套的间接液冷系统不仅包括移热部分，还包括与之匹配的换热系统。需要注意的是，如果以整套的热设计部件占用的总空间来计算，则间接液冷的解热能力与强制风冷差异并不大。这也是许多不方便施加外设或者设备既有空间已经标准化的产品不使用间接液冷的关键原因之一。

间接液冷的优点：

间接液冷的缺点：系统复杂、成本高、可靠性差。

间接液冷的设计，需要尤其关注的是冷板的设计、液冷工质的选择以及换热器的设计。

4.5 直接液冷

从液态工质与元器件的接触形式上来区分，直接液冷可以分为两种：①浸没式或浸入式液冷，是指将电子产品浸泡在液态的电气绝缘、化学稳定、无毒、无腐蚀性的冷却介质中；②喷淋式液冷，即通过往发热元器件上喷洒绝缘液，实现冷却。一个生活化的比喻是，浸没式液冷类似泡澡，喷淋式液冷则类似淋浴，如图 4-7 所示。

直接液冷中，当采用的冷却液沸点足够低时，液体工质将在发热元器件表面或元器件上方的散热扩展面上汽化，对流换热系数极高，可以极低的温差带走大量热，是目前已知的已经商用的换热效率最高的散热方式。图 4-7 中浸没式液冷展示机内的气泡就是汽化的冷却工质。气态的冷却工质密度低，气泡在顶端聚集，通过换热器冷凝回液体，然后再返回到腔体中，完成冷却循环。

注意，部分表面热流密度极高的发热元器件，为扩大与液态工质的接触面积，芯片上方会贴合均温板等热扩展面。

直接液冷的关键技术是冷却空间的密封和系统气液泄漏控制。有相变的直接液冷系统中，如果温度控制不当，则会导致设备腔体压强迅速变化，冷却液汽化逸出。极端情况下，设备甚至可能产生 “爆裂”。目前来讲，低沸点的绝缘冷却液价格都极其高昂。而对于高沸点的冷却液，虽然不易汽化逸出，但如果密封不严，由于热胀冷缩，工质仍然可能渗出，导致换热能力变差。另外，高沸点的冷却液往往黏度很大，在冷却液中取出设备后，上方会滞留大量冷却液，不便维护。

4.6 本章小结

确定散热方式是开展散热工作的第一步。可以说，散热方式奠定了后续热设计的基调。从本章讲述的内容可知，散热方式的精准确定，需要丰富的设计经验和合理的理论计算预估，没有任何一个公式可以直接给出准确答案。当前，由于各种产品功率密度不断提升，市场竞争推动着任意一种散热方式的效果都不断逼近其能达到理论极限。散热能力最终表现出来的是产品实际市场竞争力，而不是温度数值的高低。在这个意义上，热设计水平的提升不存在上限。市场竞争越激烈，热设计工作者就要愈加明确各类强化换热的方法，深悉热设计相关物料的最新发展动向，并将其融入自身所做的产品中，来保证产品的性能符合市场要求。否则，产品被淘汰，对应的设计者也只能被淘汰。

参考文献

第 章

芯片封装和电路板的热特性

5.1) IC 芯片封装概述

采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元器件及布线互连在一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构，称为集成电路（Integrated Circuit，IC），如图 5-1 所示。当前，几乎所有看到的芯片都可以叫作 IC 芯片。

大多数芯片，表观上看到的都是其封装外壳，内部的引线、电容、晶体管等并不可见。

芯片的封装包含但不局限于如下三个方面的意义 \(^{[1]}\) ：

（1）固定引脚系统，实现芯片与外部的数据信息交换 芯片不能单独工作，它必须与外部设备进行连接和数据交换，封装最基本的作用就体现在这里。芯片内部的金属线极细（通常小于 \(1.5\mu \mathrm{m}\) ，多数情况下只有 \(1.0\mu \mathrm{m}\) ），无法将芯片内的引脚直接与电路板连接。通过封

装，可以将外部的引脚用金属铜与内部的引脚焊接起来，芯片便可以通过外部的引脚间接与电路板连接以起到数据交换的作用。外部引脚的材质和形式需要根据芯片的具体功能和使用场景来选用。通常情况下，芯片内部的引脚和焊接点会被埋藏在基体中，外观上看到的引脚全部是外部引脚，如图 5-2 所示。

(2) 保护芯片，避免其受到物理、化学、电气等损伤 芯片的封装材料可以保护芯片免受微粒、湿气、机械力、电磁场等外界因素对它的损害。其中电气保护还包含降低芯片本身产生的电磁场对外部的影响。实现物理性保护的主要方法是将芯片固定在一个特定的芯片安装区域，并用适当的封装外壳将芯片、芯片连线以及相关引脚封闭起来，从而达到保护的目的。应用领域的不同，对芯片封装的等级要求也不尽相同。

（3）增强散热 根据热力学第二定律，所有半导体产品在工作时都会产生热量，而热量会导致芯片温度升高。当温度达到一定限度时，芯片的性能就会受到影响。因此，封装在满足电气、保护功能之外，还需要考虑散热特性。当前，无

论是自然散热、强制对流散热还是液冷散热，芯片的热量都是从内部结点发出，经由封装材料散逸到低温介质中。封装材料的导热特性对芯片的散热性能有关键影响。随着芯片功率密度的加速提升，芯片封装在散热特性方面的研究越来越多。

本章的主要内容就是阐述当前普通封装技术的各个热特性参数。

5.2 芯片封装热特性

IC 封装的热特性参数是芯片的关键性能指标之一。当前，标准封装的热特性主要参数包括：结壳热阻 \(\Theta_{\mathrm{JC}}\) 、结板热阻 \(\Theta_{\mathrm{JB}}\) 、结到空气热阻 \(\Theta_{\mathrm{JA}}\) 、壳到空气热阻 \(\Theta_{\mathrm{CA}}\) 等参数。本节将就热阻相关标准的发展、物理意义及测量方式等相关问题做详细介绍，并针对不同性能的芯片提供热设计具体建议。

5.2.1 芯片热特性基础

热量的传递只能通过传导、对流以及辐射三种方式进行。芯片内部全部被固体充满，热量传递显然不涉及对流和辐射。因此，芯片的热特性参数将与封装材料的导热系数密切相关。下面再次回忆描述导热规律的公式傅里叶导热定律

\[ q _ {\mathrm{x}} ^ {\prime} = - k \frac {\partial T}{\partial x} \tag {5-1} \]

式中， \(q_{x}^{\prime}\) 为 x 方向的热流密度，表示 x 方向上，单位时间内在单位面积上通过的热量，单位为 \(\mathrm{W}/(\mathrm{m}^{2}\cdot\mathrm{C})\) ；T 为温度。如果要计算整个 x 方向在通过面积为 A 的导热面的热通量，则式（5-1）变为

\[ q _ {\mathrm{x}} = - k A \frac {\partial T}{\partial x} \tag {5-2} \]

宏观上，图 5-3 所示的两个平壁之间的导热可以用以下公式描述：

\[ \Phi = k A \frac {\Delta t}{\delta} = k A \frac {t _ {\mathrm{w1}} - t _ {\mathrm{w2}}}{\delta} \tag {5-3} \]

理解这个公式，对于后面理解热特性参数的意义有重要作用。

5.2.2 热阻的概念

热阻（Thermal Resistance）表示热量在传递过程中所受到的阻力，为传热路径上的温差与热量的比值。根据传热方式的不同，热阻又分为导热热阻、对流换热热阻和辐射换热热阻。

1. 导热热阻

当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的阻力称为导热热阻。对于热流经过的截面积不变的平板，导热热阻为

\[ R = \frac {\delta}{k A} \tag {5-4} \]

式中， \(\delta\) 为平板的厚度；A 为平板垂直于热流方向的截面积；k 为平板材料的热导率。用热阻来描述图 2-1 所示的平板传热过程，则为

\[ \Phi = \frac {\Delta t}{R} \tag {5-5} \]

热阻的提出更形象地描述了传热过程。很容易理解，温差是热量传递的动力，而热阻是热量传递的阻力。这样，热量传递的速率就等于温差除以热阻。

2. 对流换热热阻

在对流换热过程中，固体壁面与流体之间的热阻称为对流换热热阻，计算公式为

\[ R = \frac {1}{h A} \tag {5-6} \]

式中，h 为对流换热系数；A 为换热面积。

用对流换热热阻来描述对流换热过程，式（5-6）变为

\[ \Phi = \frac {\Delta t}{R} \tag {5-7} \]

式（5-7）的形式与导热热阻表示的热量传递描述公式完全相同。但需要牢记，对流换热热阻完全不同于导热热阻。

3. 辐射换热热阻

两个温度不同的物体相互辐射换热时的热阻称为辐射热阻。辐射热阻不能将辐射换热公式换算为单纯的温差除以热阻的形式，因为辐射换热公式中，温度是以四次方差形式出现的。而且，辐射换热还与角系数、表面辐射率等有关联。

辐射热阻分为空间辐射热阻和表面辐射热阻两种。如果两个物体都是黑体或灰体，忽略两物体间的气体对热量的吸收，则 \(^{[2]}\)

空间辐射热阻： \(R=\frac{1}{A_{1}F_{1-2}}\) (5-8)