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2020.09.23 热设计

什么是热设计?

电子设备中半导体元器件的热设计

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,所以我们在Tech Web上推出了半导体元器件的“热设计”这个主题。

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。

什么是热设计?

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。

在Tech Web的热设计主题中,预计会涉及热设计的重要性、热阻与散热、Tj的估算示例、热仿真等基础内容。

关键要点:

・简言之,半导体元器件的热设计旨在将半导体元器件的Tjmax保持在最大额定值内。

・如果在设计阶段没有认真对待半导体元器件的热设计,那么可能会在试制阶段或投入量产之前出现问题。

・越接近量产,对策所需时间越多、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。

・最坏的情况是投放到市场后才出现问题,从而导致召回和信用问题,因此半导体元器件的热设计从根本上讲非常重要。