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任何散熱解決方案的目標(biāo)都是確保設(shè)備的工作溫度不超過(guò)其制造商規(guī)定的安全限值。在電子工業(yè)中，這個(gè)工作溫度被稱(chēng)為器件的“結(jié)溫”。例如，在處理器中，這個(gè)術(shù)語(yǔ)字面上指的是電能轉(zhuǎn)換為熱量的半導(dǎo)體結(jié)。

為了保持工作，熱量必須以確保可接受的結(jié)溫的速率流出半導(dǎo)體。當(dāng)熱流從整個(gè)器件封裝的結(jié)處移動(dòng)時(shí)，這種熱流遇到阻力，就像電子在流過(guò)導(dǎo)線時(shí)面對(duì)電阻一樣。在熱力學(xué)方面，這種電阻稱(chēng)為導(dǎo)電電阻，由幾個(gè)部分組成。從結(jié)點(diǎn)開(kāi)始，熱量可以流向元件的殼體，可以放置散熱器。這被稱(chēng)為ΘJC，或結(jié)至殼體的熱阻。熱量也可以從組件的頂部表面流出并流入板中。這被稱(chēng)為結(jié)到電路板電阻，或ΘJB

ΘJB定義為當(dāng)熱路徑僅從結(jié)點(diǎn)到電路板時(shí)，結(jié)點(diǎn)和電路板之間的溫差除以功率。為了測(cè)量ΘJB，器件的頂部是絕緣的，冷板連接到電路板邊緣（圖1）。這是真正的熱阻，這是器件的特性。唯一的問(wèn)題是，在實(shí)際應(yīng)用中，人們不知道從不同路徑傳輸了多少功率。

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圖1：橫截面圖環(huán)形冷板RΘJB 2 。

ΨJB是使用多個(gè)傳熱路徑時(shí)的溫差的度量，例如組件的側(cè)面和頂部董事會(huì)。這些多路徑是實(shí)際系統(tǒng)中固有的，必須謹(jǐn)慎使用測(cè)量。

由于組件內(nèi)有多個(gè)傳熱路徑，單個(gè)電阻不能用于精確計(jì)算結(jié)溫。從結(jié)到環(huán)境的熱阻必須進(jìn)一步細(xì)分為電阻網(wǎng)絡(luò)，以提高結(jié)溫預(yù)測(cè)的精度。簡(jiǎn)化的電阻網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

PCB上的器件熱耦合與散熱解決方案

圖2：結(jié)至環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)。

Joiner等人 1 完成的先前工作將ΘJMA與電路板溫度相關(guān)聯(lián)（見(jiàn)公式1）。 ΘJMA是在評(píng)估所有傳熱路徑時(shí)從結(jié)到環(huán)境的總熱阻。在這種情況下，ΘCA由散熱器熱阻以及器件和接收器之間的界面電阻表示。

表1列出了典型BGA組件的JEDEC參數(shù)。這些用于以下示例計(jì)算中：

ΘJMA=移動(dòng)空氣熱阻的結(jié)點(diǎn)

ΘJB=結(jié)至電路板的熱阻

ΘJC=結(jié)至殼體的熱阻

ΘCA= Case環(huán)境熱阻

TBA =電路板溫升

PCB上的器件熱耦合與散熱解決方案

參數(shù)說(shuō)明值單位ΘJC熱電阻 -

結(jié)到外殼0.45°C/WΘJB熱阻 -

結(jié)至電路板2.6°C/W TDP熱設(shè)計(jì)功率20 W Tj最高結(jié)溫105°C

表1：典型熱封裝規(guī)格

隨著電路板布局變得越來(lái)越密集，需要設(shè)計(jì)出使用盡可能少空間的優(yōu)化散熱解決方案。簡(jiǎn)而言之，沒(méi)有余量允許過(guò)度設(shè)計(jì)的散熱器具有緊密的元件間距。考慮板耦合的影響是這種優(yōu)化的重要部分。只有在考慮結(jié)殼到殼體的傳熱路徑時(shí)才存在使用超大尺寸散熱器的可能性。

為確保在55°C環(huán)境溫度下的105°C結(jié)溫，典型元件（見(jiàn)表1）需要2.05°C/W的散熱器電阻（如果忽略電路板導(dǎo)通）。當(dāng)考慮電路板導(dǎo)通時(shí)，假設(shè)電路板溫度與空氣溫度相同，實(shí)際結(jié)溫可能低至74°C。這表示散熱片大于必要的溫度。

從這個(gè)例子可以看出，必須考慮來(lái)自元件連接點(diǎn)的所有傳熱路徑。僅使用ΘJC和ΘCA值可能導(dǎo)致大于最佳的散熱器，并且可能無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工作結(jié)溫。使用建議的相關(guān)性也可以預(yù)測(cè)從實(shí)驗(yàn)中得知電路板溫度時(shí)的結(jié)溫，如圖3所示。

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圖3：電路板溫度升高對(duì)結(jié)溫的影響。

當(dāng)存在多個(gè)元件時(shí)，情況變得比僅使用電路板上的單個(gè)元件復(fù)雜得多。通過(guò)PCB的組件之間存在傳導(dǎo)耦合，以及組件和相鄰卡之間的輻射和對(duì)流耦合。圖4顯示了一個(gè)帶有兩個(gè)元件的簡(jiǎn)單PCB。兩個(gè)元件的功耗假定為P1和P2，并且假設(shè)我們可以忽略輻射傳熱。每個(gè)器件下的電路板溫度分別為T(mén)b1和Tb2。我們還假設(shè)電路板上兩個(gè)元件之間的橫向電阻為θb1b2。

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圖4：具有兩個(gè)元件的PCB的簡(jiǎn)單原理圖。

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