隨著設(shè)備變得更強(qiáng)大、尺寸更小巧緊湊，不同行業(yè)的工程師一直在電子產(chǎn)品的熱管理上努力不懈。雖然有許多創(chuàng)意的解決方案可以藉由風(fēng)扇、液體冷卻器、導(dǎo)熱管等高溫導(dǎo)熱器件將熱能帶走，但器件本身也有許多進(jìn)展，從根本上優(yōu)化熱性能。為了幫助您更好地了解如何優(yōu)化您的器件和熱管理系統(tǒng)，本文概述電子產(chǎn)品中熱性能的主要器件，并指出一些關(guān)鍵參數(shù)讓您可以在器件上進(jìn)行操作以優(yōu)化散熱系統(tǒng)靈活度和性能表現(xiàn)。
工作環(huán)境溫度
在設(shè)計(jì)最終產(chǎn)品如IoT 設(shè)備、醫(yī)療工具或工業(yè)傳感器器件時(shí)，幾乎每個(gè)器件都將最高環(huán)境工作溫度作為參數(shù)。最高環(huán)境溫度是由該器件的制造商設(shè)定，以確保設(shè)備的性能達(dá)到可接受的標(biāo)準(zhǔn)且物理特性不受損害。例如，一些開(kāi)關(guān)晶體管可以承受非常高的功率負(fù)載，但如果暴露在過(guò)高的環(huán)境溫度下，它們內(nèi)部的半導(dǎo)體結(jié)會(huì)熔化。此外，溫度會(huì)直接影響材料的導(dǎo)電特性，如果超過(guò)最高工作溫度可能會(huì)改變器件的性能。
從源頭移除熱量
具有固定內(nèi)部功耗和環(huán)境溫度閾值的設(shè)備與大多數(shù)功率轉(zhuǎn)換設(shè)備和 IC 一樣，外殼的表面溫度取決于內(nèi)部熱阻和熱傳遞的效率。內(nèi)部熱阻是描述熱量從熱源傳到器件表面的效率。然而，當(dāng)大多數(shù)人想到熱管理時(shí)，他們會(huì)想到器件向環(huán)境傳熱的效率，即為對(duì)流、傳導(dǎo)或輻射傳熱。這些方法通常是被動(dòng)式熱交換器、風(fēng)扇、液體冷卻系統(tǒng)、熱管和散熱器等。
圖5.7：安裝在PCB 上圓柱形電容的散熱路徑
保持良好的外殼溫度的最佳方法是直接改變?cè)O(shè)備的內(nèi)部熱阻以及向周圍環(huán)境散熱的效率。一個(gè)完美熱管理的設(shè)備具有零熱阻和無(wú)限的熱耗散。然而，由于器件是由真實(shí)世界的材料制成的，每種材料都有自己獨(dú)特的熱阻特性，加上沒(méi)有任何一個(gè)系統(tǒng)可以完美傳遞熱量，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須從設(shè)計(jì)初期就設(shè)法優(yōu)化每個(gè)關(guān)鍵器件的熱性能。
固定變量
正如許多設(shè)計(jì)人員所知，應(yīng)用的各種參數(shù)通常是固定的，所以需要開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)以滿足這些要求。在某些情況下，器件的效率、環(huán)境溫度和系統(tǒng)的傳熱機(jī)制取決于最終應(yīng)用。在許多情況下，器件如果要達(dá)到可接受的工作條件和低外殼溫度，唯一的方法就是選擇改善內(nèi)部熱設(shè)計(jì)和選擇內(nèi)部熱阻較低的器件。
優(yōu)化的內(nèi)部熱阻
有兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)可供檢視，一個(gè)是器件的整體熱阻而另一個(gè)是結(jié)溫和環(huán)境溫度之間的熱阻 - Ψjt和θja。Ψjt和θja都是每個(gè)器件獨(dú)一無(wú)二的熱阻參數(shù)，并且會(huì)因封裝的不同而異。Ψjt是熱特性參數(shù)，用來(lái)測(cè)量熱源和封裝表面之間的多個(gè)熱流路徑，而θja代表熱源和環(huán)境溫度之間的直線熱阻。Ψjt與功率相關(guān)，在更高的功耗和外殼溫度下Ψjt的增加最終會(huì)降低器件的性能。即使優(yōu)化了Ψjt，高θja電阻值也會(huì)導(dǎo)致外殼溫度過(guò)高和受限的環(huán)境工作溫度。
圖片來(lái)源：Ricoh
有許多改善方式能夠降低Ψjt和θja，例如材料優(yōu)化、制造技術(shù)和不同的結(jié)到環(huán)境的熱傳遞方法。其中一個(gè)降低熱阻的最新進(jìn)展是 3D Power Packaging?。 使用 3D Power Packaging? (3DPP) 技術(shù)，例如 FCOL、嵌入式 IC、散熱孔等，RECOM 成功地大幅改善了Ψjt和θja值。通過(guò)降低 3DPP 產(chǎn)品的這些數(shù)值可以在不限制設(shè)備的環(huán)境溫度的情況下達(dá)到更高的功率表現(xiàn)。高功率密度的解決方案如3DPP等產(chǎn)品，是專為高性能又高效的設(shè)備所設(shè)計(jì)，無(wú)需使用主動(dòng)冷卻或大型被動(dòng)散熱器。
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