电子系统散热设计问题解决方案

随着电子技术的迅速发展，电子技术在军用和民用的各个领域得到了广泛的应用，为提高元器件和设备的热可靠性以及对各种恶劣环境条件的适应能力，使电子元器件和设备的热控制和热分析技术得到了普遍的重视和发展。自1948年半导体器件问世以来，电子元器件的小型化、微小型化和集成技术的不断发展，使每个集成电路所包含的元器件数超过了250000个，由于超大规模集成电路（VLSIC）、专门集成电路（ASIC）、超高速集成电路（VHSIC）等微电子技术的不断发展，微电子 器件和设备的组装。

随着组装密度的提高，组件和设备的热流密度也在迅速提高，如图1-1所示。研究表明，芯片级的热流密度高达100W/cm2 ,它仅比太阳表面的热流密度低两个数量级，太阳表面的温度可达6000℃，而半导体集成电路芯片的结温应低于100℃，如此高的热流密度，若不采取合理的热控制技术，必将严重影响电子元器件和设备的热可靠性。

障碍与路径分析法

电子设备热控制的目的是要为芯片级、元件级、组件级和系统级提供良好的热环境，保证它们在规定的热环境下，能按预定的方案正常、可靠的工作。热控制系统必须在规定的使用期内，完成所规定的功能，并以最少的维护保证其正常工作的功能。

防止电子元器件的热失效是热控制的主要目的。热失效是指电子元器件直接由于热因素而导致完全失去其电气功能的一种失效形式。严重的失效，在某种程度上取决于局部温度场、电子元器件的工作过程和形式，因此，就需要正确地确定出现热失效的温度，而这个温度应成为热控制系统的重要判据，在确定热控制方案时，电子元器件的最高允许温度和最大功耗应作为主要的设计参数

市场上诞生了专业做设计、热仿真和热测试的EDA工具供应商，例如Mentor Graphics、Zuken等。近日，Mentor Graphics的三维计算流体力学FloTHERM软件（CFD），创新性地采用了散热障碍（Bn）和散热捷径（Sc）分析技术。Mentor 系统设计部市场开发总监John Isaac称，现在工程师可用一种非破坏的方式（即不需要把原来的样品分割来看里面的热特性），就能明确IC、PCB或者整个系统的热流阻碍在哪里，以及为什么会出现热流故障，同时还能确定解决散热设计问题最快最有效的散热捷径。

散热障碍与散热路径分析

散热主要有三个途径：辐射、传导、自然对流。

就像河流中形成一些堰塞湖（障碍），或者蜿蜒的路一样（路径），在电子设计中，一些热量会淤积在某处，或过长的散热路径影响散热效率。

散热障碍

为了说明方便，一般把温度从低到高用蓝色、黄色、橙色到红色代表。我们可做如图1的实验，左上图的案例是一块铁板，把它降为0℃，然后再把它接上100W电源，这时会有热量传导过来，铁板温度改变，受电端达到90℃，但板子另一端还是0℃左右，因为这个板子导热很快。左下实验在冷却板--铁板的中间替换成塑料，因为塑料不导热，在加热的时候，由于受到了阻挡，铁板通电处的温度就升高到了130℃，可见材料的改变可能会改变你的散热效果。右上图所有的条件都与左上图一样，还是铁，但中间变细了，当你通电以后，这块板变细部分形成了瓶颈。

这个实验说明，材料或结构的改变都会改变散热性能。

Mentor的经验公式是（图1右下图）：

Bn/Bn（max）=│热通量│x│温度梯度│x│角度余弦函数│

散热捷径

当你的热流路径要走很长时，路过的区域越多，散热肯定更慢。

图2还是图1形状一样的板子，但是用不同的材料，加热仍是100W,但上侧换成了铜（铜是导热最好的材料之一），下面是塑料，用Mentor的FloTHERM 9工具分析后，就会显示某些地方高亮，就知道哪些地方散热有问题，并考虑怎么能够让热散得更块--因为塑料导热性很差，因此把塑料换成铜后（图2右图），热量散得更快。

散热案例

通过对PCB板侧面观察（如图3），发现一些芯片的温度最高，可以找到让它更快散热的其他热流路径，方法就是因为这个地方原来是空气，因为空气传导能力非常小，换成导热衬垫（通常是金属）（散热捷径法）或金属挤压品（解决散热障碍法，图4），均增加了导热性，结果可看出没有红色了。

实验方法固然好，如果用软件仿真更可节省设计时间。从热分析工具中可以直观看到散热障碍在哪里，用散热捷径软件提示我们哪里能够进一步改进。例如焊点过热，就需要改变焊接的方法等。

CamSemi公司是做电源管理方案的公司。该公司工程副总裁Nigel Heather称他们在研发新一代手机充电器IC时由于采用FloTHERM 9而节省了时间和成本。

满足高速放电的电路保护方案--MHP在电路过流（过热）时，就需要用到电路保护方案。电路保护市场可以分为过流、过压、防静电（ESD）三大类，其中针对过流保护市场，目前的主要形式有一次性保险丝、可自恢复的PTC（正温度系数）器件等，并且基于各自的不同特点而应用于不同的领域。不过，其中PPTC（聚合物正温度系数）器件由于在技术上的不断突破，已在低电阻需求领域如手机电池保护领域与一次性保险丝形成了较强的竞争态势。

但对于锂离子电池等高速放电和小型化的需求，市场呼唤能确保终端产品电池安全的、具有高性价比的高强度电路保护器件。

满足高速放电的电路保护方案--MHP

近日，泰科电子（Tyco Electronics）在PPTC的基础上，推出金属混合聚合物正系数温度电阻（Metal Hybrid PPTC, MHP）技术，可用于额定值在30VDC/30A以上的各种高速放电电池应用，比如无绳电动工具、电动自行车和备用电源等。

MHP（Multimedia Home Platform）是由DVB联盟制定的一种标准。作为DVB的一个工作项目，它开始于1997年。DVB-MHP的工作不仅覆盖应用程序接口API,而且还包括家庭数字网络（IHDN）和本地集群，其目的是标准化家庭平台，这对于未来成功应用交互式多媒体是很关键的。它同时也可以看作是DVB纯广播工作到交互式TV应用的自然升级，推动了电视业务从模拟电视到数字化电视的过渡。

MHP主要用于由于锂离子（Li-ion）电池技术的发展，现在更小、更轻和更高功率的锂离子电池能够取代以前在高速放电电池应用中使用的镍镉或铅酸电池。这种趋势导致了高速放电锂离子电池应用市场的快速扩张，这也相应地形成了对能确保终端产品电池安全的、具有高性价比的高强度电路保护器件的需求。

MHP器件产品系列的首款产品MHP30-36器件的最高额定值为36VDC/100A,其中在100A电流（25℃）时的动作时间不到5秒。该器件的保持电流是30A,初始阻抗低于2mOhms.

泰科电子的电路保护产品大中华区高级销售经理江如祥称，与标准的断路器相比（表1），MHP30-36器件提供了良好的消除电弧放电特性，而前者则必须通过限制开关循环的数量来解决，这是由于触点间产生的电弧放电可能对其造成损坏。该MHP30-36器件还能帮助减少实际应用中放电场效应管（FET）和相伴的散热片的数量，而这通常是通过使用IC+FET电池保护设计来实现的。

MHP器件技术能针对各种不同的应用进行配置，并且现在正开发能够支持更高电压（高达400VDC）和保持电流（60A）的器件。未来的设计考虑包括在电动踏板车和轻型电动车（LEV）中使用的锂离子电池组的电池保护，以及各种备用电源应用和非电池应用，如电动马达保护。