對于單板而言,熱量傳遞有導熱,對流換熱以及輻射換熱三種方式,在終端設備散熱過程中,這三種方式都有發生。對于芯片而言,主要有以下三個途徑:
1.die熱量通過封裝材料傳導到器件表面后對流散熱,低導熱的封裝材料影響傳熱,當然我們有時候也會根據設計需要增加散熱器;
2.die熱量通過pad,封裝材料和器件底面與PWB之間的空氣層后,傳遞到PWB散熱;
3.die熱量通過lead Frame和die之間是極細的鍵合線,因此die和Lead frame之間存在很大的導熱熱阻,這會限制管腳散熱。
隨著芯片越做越小,對散熱的要求也越來越高,方式1和方式2變得越來越通用,而通過方式1往往需要散熱器的配合使用。
我們在前面的文章中也提到過,共模干擾分為電流驅動型,電壓驅動型和電磁耦合型。而散熱器不接地屬于共模干擾的電壓驅動型。通常在使用散熱器時,需要將散熱器接地,這樣可以大大減少EMI問題,因為大地為共模干擾提供了低阻抗路徑,當然了,地的阻抗要低。不然會引起地彈現象,引發新的干擾問題。
根據散熱器的長寬高比例不同,當散熱器的高度達到電磁輻射波長的1/4長度時,會形成單極子天線。隨著器件開關頻率的提高,引起的輻射EMI問題會越來越嚴重,圖示為散熱器與PCB地平面耦合電流分布圖,圖中Inoise為耦合電流,黑色柱子為接地點,接地點需要靠近耦合電流(減小環路面積),同時增加接地點(降低接地阻抗),使得更多噪聲選擇低阻抗的地平面作為回流路徑,從而減少輻射到空間的電磁波,減小輻射的目的。
散熱器的接地點和接地點數目都很好理解,但是接地點如何分布又是怎么樣的,可以通過以下仿真獲得,以下圖為幾種不同的節點方式:
通過仿真軟件,可以看出:
1.在數量相同的情況下,180°接地柱比90°效果要好;
2.散熱器接地點數目越多,對輻射抑制效果越好。
在實際產品散熱設計中,我們為了增加導熱性能,往往需要使用導熱膠填充散熱器與元器件之間的間隙,增加接觸面積,減小熱阻,導熱膠是一種介電常數大于1的絕緣材料,在芯片與散熱器之間使用散熱膠后,電容的計算公式:
介電常數增加,電容C增大,根據不考慮損耗情況下的阻抗公式:Z=L/C,開根,可以看出,C越大,阻抗越小,電磁波越容易通過散熱器,增加了對外輻射的能量。
總結:
1.接地點成180°設計排列可獲得更好的效果;
2.盡可能的增加接地點的數目;
3.熱其實也是一種電磁波,良好的散熱設計可能會帶來EMI問題,這個時候需要考慮給EMI提供比散熱器更好的回路路徑,這個就好比信號完整性問題跟EMI問題可能在某些方面對立存在的,從EMI角度來看,電感應該是放置在最靠近信號輸出端,但是從信號完整性角度考慮,為了減小傳播路徑的耦合干擾,需要將電感放置在插座端/接收端,不過解決方法永遠比問題多,我們還是可以考慮電感放置在插座端,因為相對于板間的干擾,外界的干擾才是最難評估的。
審核編輯 :李倩
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原文標題:使用散熱器會帶來這些坑,你知道嗎?[20220704]
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