半导体器件的热设计

在电子设备的设计中，小型化、高效率化、电磁兼容性（EMC）对策、热对策正在成为几个重要的课题。“热”关系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点讨论的事项之一。本文介绍了以在电子设备中使用的 IC 和晶体管等半导体元器件为前提的热设计基础。

何谓热设计？
在半导体器件中，封装内的芯片温度、即结温（接合部温度）的最大额定值被规定为 TJMAX。当进行电子设备设计时，需要考虑器件的发热情况和周围环境温度条件，以使器件温度不超过TJMAX。因此，对于设计中使用到的所有半导体器件，都需要进行热计算，判断是否会超过 TJMAX。当超过 TJMAX 时，需要采取降低功耗、重新进行散热设计等措施，将 TJ 控制在最大额定值的范围以内。
当然，在电子设备中不仅仅会用到半导体器件，还会用到电容器、电阻器、电机等各种各样的电子元器件，这些元器件各自都有关于温度、以及功耗的最大额定值。在进行设计时，对于构成设备的所有电子元器件，都必须做到实际使用条件不能超过器件与温度相关的最大额定值。

在设计初期阶段进行热设计的必要性
如果在设计初期阶段，没有进行热设计并采取热相关对策的话，有可能在产品的试生产阶段，甚至在量产前夕，才发觉存在热导致的问题。不仅仅针对热，对于其他问题也是一样，当采取对策的时机越靠近量产，则花费的时间和成本就会越多，可能成为导致出货延期而丧失机会的大问题。最严重的情况是产品流向市场后发生问题，导致被迫召回，或者发展为信用问题。
热导致的问题，可能会造成产品的故障、冒烟或者起火、甚至发展到火灾等涉及到人的生命安全的问题，因此从根本上来说热设计是非常重要的。由此，从初期阶段开始就必须进行切实的热设计。

热设计的重要性在不断提高
近年来，电子设备的小型化、高性能化成为了必然的技术要求，因此高度集成化在不断地发展。具体而言，使用的器件数量在增加，基板上的贴装密度得到提高，机壳的尺寸也变得更小。因此，发热密度在大幅地上升。
我们必须认识到，随着技术趋势的变化，热设计也变得比以前更加苛刻了。如前文所述，不仅仅对于电子设备、对于电子元器件也被要求“小型化”和“高性能化”，并要求具有“设计性”，因此热对策成为了一项重大课题。热设计与设备的可靠性和安全性、以及总体成本削减都有关系，因此其重要性在不断提高。

技术趋势的变化和热设计
近年来，技术趋势的焦点是“小型化”、“高性能化”、“设计性”。接下来会阐述这些技术趋势将会对热和热设计带来什么影响。

“小型化”
随着电子设备的小型化要求，IC、贴装基板、以及电容器等其他器件的小型化也在不断地发展。在半导体器件的小型化中，例如，以往封入 TO220AB 那样较大的通孔封装中的 IC 芯片，被封入小型贴片封装中的情况，现如今并不少见。

另外，不断涌现出提高集成度的新方法。例如，把多个芯片封装在同一个模块里，或者把多种功能高度集成到同一个芯片上，从而提高功能-面积比。如上所述的器件小型化和高度集成化，会加剧发热。
下图是封装小型化的示意图。在热成像图中，左右两侧器件的功耗相同，左侧为20×20×20mm封装，右侧为10×10×10mm封装。可以很明显地看出在小封装中，表示高温的红色部分更加集中，也就是说，小封装的发热较大。

之后是高度集成化的例子。在相同尺寸的基板上，对比了搭载1 个器件（左侧）和搭载 2 个器件（右侧）的情况，可以看出温度的差异非常明显。

在高密度贴装中，贴片封装的器件向基板进行散热的有效散热范围变少，从而导致发热加剧。当机壳内部的环境温度变高时，可以进行耗散的热量将会减少。结果导致以往只在发热器件的周围产生高温，如今基板整体都会变成高温。这样一来，就连发热量较少的器件的温度也会上升。

“高性能化”
为了提高电子设备的性能，经常需要增加电子元器件、使用集成度更高和性能更好的 IC，进一步地需要进行信号的高速处理、以及信号的高频化处理等。以上做法通常会增加功耗，结果导致发热量增加。另外，在高频应用中，为了抑制辐射噪声，很多时候会使用屏蔽。在屏蔽内部热量会发生聚集，因此对于屏蔽内部的器件来说，温度条件会发生恶化。进一步地，以提高性能为理由来增大设备的尺寸通常是比较难的，因此会变成如
前文所述的高密度贴装状态，机壳内部的温度会变高。

“设计性”
为了实现产品差异化和美学宣传，重视设计性的产品、进一步地以设计性优先的产品变得越来越多。这样做的弊端，是由于过度的高密度贴装、或者由于没能实现合适的散热，使得机壳温度过高从而发生问题。器件为了提高设计性、即提高外形的自由度，会如前文所述做小型化或者低背化的对应，更进一步地以设计性优先的情况也很多。

如前所述，随着“小型化”、“高性能化”、“设计性”的技术趋势的发展变化，元器件的发热量增加了，散热却反而变得更加困难了。因此，热设计的条件和要求更加苛刻了。这些确实是比较大的问题，但是除此之外，还有一点需要讨论。
一般来说，在设计电子设备时，对于需要遵守的热设计要求，公司都会有相关的评价标准。如果该评价标准已经过时，没能根据现在的技术趋势进行重新评估，那么该标准本身就会成为问题。当不进行相关讨论导致所遵守的标准是没有考虑现状的标准时，有可能会产生较大的问题。为了应对技术趋势的变化，也需要对热设计的评价标准进行重新评估。

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