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智能设备小型化设计 需导入先进封装改善运算散热议题

  • 陈婉洁

高密度PCB电路板,可在运行温度较高的零组件区块透过线路布局、加大铜面积、厚度改善关键零组件的散热条件。Tring d.o.o.

DIGITIMES 企划

越来越多智能化设备、IoT终端,甚至是工控计算机、闸道器等设备,均有志一同追求极致的小型化设计,但在机构可用空间限缩条件下、同时设备运算效能还需要呈倍数成长,那带来的运算核心散热议题就成为新设备设计的重大考验…

新一代行动装置、IoT设备,PCB角色不再是单纯的电路载板,而是兼具高效散热的关键元件之一。AT&S

新一代的计算机终端,可能仅是为了降低成本、便于设备部署,例如工控计算机、闸道器、IoT(Internet of Things)物联网终端等,均面临设备构型设计的极度小型化趋势,体积变小的要求前提在其运算效能要求还需要进一步提升,最直接的做法即导入高效能SoC(System on a Chip)系统单芯片方案减少零组件数量,同时搭配HDI(High Density Interconnect)高密度互连技术PCB进一步缩小核心功能的载板体积,达到体积缩小目的。

小型化设计趋势 增加设备载板热处理难度

但设计产品实际会面对的问题,其实不光是零组件的布局缩小、主板的小型化设计等,即便在PCB有效运用HDI优势将尺寸大幅缩减,但实际上关键零组件的彼此布局间距也因此缩小,同时设备在追求更多复合功能、效能提升前提导入的SoC集成方案,也让SoC或关键运算芯片的本身运行产生的热能大幅增加,在零组件密度提高、关键零组件本身的散热限制条件更严苛,设计方案必须考量的不再只是零组件布局或先进PCB的导入,如何处理更严苛的散热条件已经是设计需面对的重大技术议题。

相同的问题更发生在手持式或穿戴式的智能化设备上,例如新一代的智能手表不但需要集成搭配ECG(Electrocardiography)进阶感测方案使智能手表可附加心律检测应用,搭配其应用还需驱动高效能LED驱动辅助提升血氧感测精度条件,小型化机构下需要置入的SoC不再只是运算相关应用,多元传感器的驱动条件、高效能微型电池等复合零件集成,导致的散热难题也会碰到相同的设计难题。

设备性能、功能要求不减 散热处理成为产品设计关键

若依照目前主流产品趋势检视,其实设备功能并未因为体积减少而有所删减,反而是为了增加产品附加价值或越级挑战近似产品,在设备内的主/被动元件数不减反增,即便使用大量集成芯片设计,其实设备内部的店员负载,并未设备缩小而因此减少,反而有负载提升的趋势,也因此使得负载点P.O.L(point-of-load)电源的功率密度有近一步提升的趋势,设计设备时不但在选用P.O.L模块需关注功率密度,还需一并考量模块与其它关键芯片的散热效能。

关注设备的几个高发热问题点,DC/DC转换器通常会因为空间过于紧凑,过于紧凑的零组件布局,也终将导致P.O.L稳压器产生较高热量,高密度的零组件设置、有限的设备内机构空间限制,成为散热条件需考量的重点,甚至高密度封装的集成零组件也会导致外围电源器件的散热条件趋于恶劣,导致PCB与外围元件的温度同时提升,提升系统散热处理方案的复杂度,徒增设置主/被动散热元件的元件成本。

高温电源器件 可透过PCB分担系统热处理负荷

降低PCB在电源器件的散热问题,其实有相当多的方法可以尝试于设计方案中,例如,PCB零组件电路载板其实就可以当作一个相当大面积的散热通路看待,因为电源零组件如DC/DC转换器,本身的运行升温可以透过零组件引脚与零组件底部与PCB的接触,近一步将元件本生运行产生的温度引导至PCB进行散热,但此改善方向需在PCB本身的热阻够低这个条件前提,才有机会成为改善高温元件的散热条件之一,此外,也可利用PCB本身的线路布局,例如高温运行的电源零组件下方使用较大面积的铜箔线路布局,透过铜箔线路的高效率导温的条件增加布设其上的零组件散热条件。

另一个方向是运用改善散热的物理条件,例如,增加载板本身的空气流动方向进行处理,简单说就是前述提到个设置主/被动散热方案,去改善整体载板与其上零组件的散热条件,简单的方向就是使用更大面积的散热鳍片、PCB的铜面布局、增厚PCB的金属板层等,或是将关键发热的零组件布局稍稍拉更开些,让空气流通的散热条件更好,但实际上又碰到前述的大问题,与设备小型化的设计方向冲突,所以改善条件能运用的仅有PCB增加金属铜层的厚度、面积,并搭配布局微调,而大型散热器的方向似乎就不是小型设备能够选用的优化方案。

PCB热阻条件优化 可提升系统稳定性与降低设计成本

使用PCB做为改善散热条件方向,仍须注意PCB的热阻与实际可让系统保持在安全限温条件的要求,若透过PCB优化方向对于系统散热的改善幅度仍相对有限,在设计方向仍无法回避选用散热片、或散热风扇等主/被动散热解决方案进行改善,但另一方向是在小型化设备中,尤其是穿戴式的设备,思考散热风散的方案是不切实际的,加上如智能型手机等需要集成无线传输方案的设备,散热风扇集成也会导致系统电波信号干扰、杂讯问题的处理成本,对应处理方案仍须进一步考量。

另一个处理方向是在P.O.L稳压器的选用考量,在选择关键零组件,如P.O.L稳压器等,在散热议题方向上零组件的功率密度,并不是选用P.O.L稳压器的关键指标,如前述电子设备在体积设计条件限缩下,对产品本身的效能、附加功能要求并不会缩水,反而有越要越多的趋势,这是市场竞争的产品设计考量,也是回避不了的问题,这也会导致相同体积的电路板空间下,要置放的零组件、或运算效能会有倍数成长的问题需处理。

当负荷的功能增加、效能增加,电路载板上的电源消耗功率就会对应提升,导致P.O.L稳压器势必提高功率密度,即功率、体积或面积的比值需对应考量。设计产品时,设计者在可选用的稳压器器件进行选择时,功率密度即成为重点指标,如越高的规格参数自然在新设计有更高效的优势,但实际上进行元件集成时,除零组件效能考量,也必须同时搭配前述几项热管理设计条件,才能让整体系统的热处理改善能获得重点提升。