隨著電子產品小型化、智能化、多樣化的發展，給產品熱設計帶來了更嚴峻的挑戰。一方面，隨著邊緣計算和人工智能的發展，讓算力更為密集；另一方面，隨著雙碳目標迫近，對于功率等級要求也持續提高；因此單一設備的功率密度正在不斷攀升，熱功率也相應的隨之提高，而熱設計也就受到了越來越多的關注。

熱設計的必要性和挑戰

所謂熱設計（Thermal Design），是指在工程設計中考慮和優化熱傳導、熱輻射和熱對流等熱學因素的過程。它主要涉及如何有效地管理和控制熱量，以確保設備、系統或產品在運行時能夠正常工作并滿足性能要求。

熱設計通常應用于各種領域，包括電子設備、汽車、航空航天、能源系統等。在這些應用中，熱設計的目標是防止過熱或過冷，維持適當的工作溫度范圍，以避免設備損壞、性能下降或故障。

圖1：電子產品熱設計的重要性

（圖源：GEC研究院）

如上圖所示，從芯片角度來看，根據GEC研究院的數據，節點壽命會隨著節點溫度提升而大幅降低，失效率加速。從系統角度來看，根據美國空軍航空電子整體研究項目的結論，55%的設備故障原因來自于溫度因素。

因此溫度可以說是電子設備的第一大殺手，設備的電氣性能和熱分布會相互影響：溫度過高會導致電子產品的絕緣性能退化，電阻降低，材料老化；像處理器、變壓器等芯片，高溫會使其性能下降；進一步的高溫會造成元器件功能失效。

不良的熱設計會導致系統內部產生更多高電流浪涌，導致系統中被引入了主要芯片之外的額外熱源。為了處理好這些不利熱點的影響，保證產品的穩定運行，就不得不額外增加溫度控制功能，從而增加了額外的能耗。做好熱設計，不但能讓產品更穩定，也是系統節能的關鍵一環。

熱設計軟件制造商Future Facilities（已于2022年被Cadence收購）的研究發現，新的熱設計重點將主要由人工智能、物聯網、5G和邊緣計算等技術推動。Future Facilities產品經理Chris Aldham曾表示：

過去幾年技術的進步導致工程師看待熱設計的方式發生了前所未有的變化。人工智能、5G、邊緣計算和物聯網的引入都對電子產品的運行方式和地點產生了重大影響，而這反過來又意味著從熱學角度需要考慮一系列新的因素。

圖2：電源系統性能和熱管理息息相關

（圖源：Molex)

當前對于電子產品而言，熱設計的挑戰來自方方面面。

1

小型化

小型化帶來的計算密度和功率密度的提升，而且小型化同時也就意味著需要盡量采用無風扇或者小型風扇的設計，這直接對于系統散熱設計提出了更高的要求。

2

信號傳輸

系統中的信號處理速度越來越快，這種高速信號的傳輸和處理也會產生更多的熱量。

3

屏蔽設計

當前的系統中，為了保證信號的完整性會采用更多的屏蔽設計，這種屏蔽設計本身對于散熱就產生了不利的影響。

而上述提到的挑戰僅僅來自于設備內部，還有更過設備外部環境因素需要考慮：像數據中心、儲能站等設備排布密集的工作環境，各個設備之間相互的熱輻射就很大；而一些高海拔地區的設備，由于工作環境空氣稀薄，因此對于設備散熱要求也就更高。

再深入到芯片設計的領域來看熱量管理的挑戰：為了維持單位面積上算力的提升，3D封裝芯片成為芯片設計的必然趨勢。而這種3D堆疊的結構會產生高熱阻，且在不同芯片功耗不均勻情況下更易導致熱點、高溫梯度和熱應力等熱問題。硅通孔(TSV)被認為是降低3D IC溫度的有效手段，因此被廣泛使用。

圖3：3D封裝芯片內部金屬互聯結構的溫度分布圖（圖源：Cadence)

傳統上來說熱設計是一門小眾的細分領域，通常是由具備熱傳遞知識背景的機械工程師，為所有的業務部門提供熱設計服務。

在那時候熱設計更多和機械部分相關，和電子部分是分開獨立進行的。而在現在，隨著設備越來越小型化和高功能化，熱設計與整個系統的性能和可靠性表現愈發密切，需要從產品的原型設計階段就進行熱設計的考量。熱設計工程師除了必備熱知識背景外，還應具備機械、電氣和電子背景，能夠熟練使用EDA設計工具和各種仿真工具，與電子設計團隊并行進行熱設計。

圖4：各設計部門共同減少發熱量，
減少試生產次數

（圖源：ROHM Semiconductor)

好的熱設計，從選型開始

芯片廠商同樣需要重視熱量管理，通過優化芯片熱性能可以實現整個系統功率密度的突破。

1

工藝制程創新

首先是通過工藝制程的創新來增強熱性能。例如在減少芯片體積的同時盡量減少功率器件的導通電阻；或通過新的工藝節點來優化引腳布局并提供額外接地等。

2

芯片設計

其次在芯片設計方面，可以將溫度監控功能集成到關鍵芯片的內部，通過高效的開關來實現不同工作負載下的動態調節，為高度集成的電路設計實現更高的功率。在封裝方面，可以通過創新的封裝方式，例如加大引腳面積、優化引腳材質和設計等，來實現芯片更高的散熱效率。

3

方案設計

從方案設計角度來看，要優化整個系統的熱傳導路徑。例如像一些頂部散熱功率芯片，近年來也逐漸流行，選擇此類芯片能夠減少熱量向PCB的直接傳導，通過芯片頂部直接將熱量輻射或傳導到設備外殼外。

圖5：Apple申請的自適應熱控制系統專利

（圖源：https://appft1.uspto.gov)

總體而言，好的熱設計需要從系統整體來考慮，從芯片選型的階段就將熱設計目標考慮在內。芯片、連接器和PCB都要根據整體的熱指標來進行選擇或設計，其中連接器等接插件的好壞對熱設計非常重要，選擇具有良好熱管理的連接器芯片，能夠直接幫助優化整個系統的熱設計。

接下來，就為大家推薦幾款來自Molex的具有優秀熱設計特點的連接器產品。

首先在電源連接器的選擇上，可以考慮Molex的PowerWize大電流互連系統。這是一款大電流線對板/線對母線互連系統，雙電路插頭和插座外殼提供兩種尺寸：6mm（額定電流高達120A）和8mm（額定電流高達175A）。

熱設計方面的優勢在于該器件采用低接觸電阻和低壓降設計，極大限度地減少了觸點接口的熱量生成。此外，更高的額定電流和更緊湊的外形設計，也就意味著該器件能夠支持更高功率密度的產品設計。我們推薦的具體產品為該系列中的重負荷電源連接器，可以在貿澤電子搜索“204608-0001”獲取更多詳情。

圖6：Molex的PowerWize大電流互連系統

（圖源：貿澤電子)

對于熱設計而言，熱敏電阻是必不可少的熱管理器件之一。Molex提供的NTC熱敏電阻探頭采用了獨特的柔性設計，能夠適用于在難以觸及的位置提供準確的溫度讀數。

此外，該器件提供了高達1.5KV_AC的介電耐壓，能夠持續3秒；在500V_DC時能夠實現高達100MΩ的絕緣電阻；正常工作溫度范圍支持-40°C至250°C。良好的抗高壓和寬廣的溫度范圍支持其在任何嚴苛的設計中正常工作。

在設計自由度方面，該器件預留可直接焊接到PCB板并裝配到接線板的自由端電線，這些末端電線還可壓接到端子上，并與連接器一起使用，從而為設計人員提供了更多靈活的設計選項。關于此器件，我們推薦的具體產品型號在貿澤電子官網上的料號為“218535-3609”。

圖7：Molex NTC熱敏電阻探頭

（圖源：Molex)

最后再給大家推薦一款同樣是來自Molex的連接器——VersaBlade線對線連接器系統。該器件能夠在系統中實現300V和15.0A的可靠信號和電源傳輸，并具有防止誤插配和導致信號故障的特性。

在散熱設計方面，該器件采用了雙排系統設計，有助于加速散熱并實現較小的結合力。此外，具有灼熱絲功能的外殼符合全球安全和環保要求。我們推薦的具體產品型號在貿澤電子官網上的料號為“35180-3609”。

圖8：Molex VersaBlade線對線連接器系統

（圖源：Molex)

結語

隨著產品功能要求的不斷提升，導致設備內部元器件貼裝更為密集，發熱量也隨著計算和功率密度同步增加，散熱設計卻因為設備外型限制而變得更加困難。因此，要實現優良的熱設計，提高整個設備的熱效率，要盡早開始著手考慮，在產品設計的原型階段，就要開始規劃系統整體的散熱策略，并在器件選型過程中，就充分考慮整個系統的熱設計目標對于單一器件的熱功率要求。好的熱設計，應從器件選型開始。

Molex相關技術資源

PowerWize大電流互連系統，了解詳情>>

NTC熱敏電阻探頭，了解詳情>>

VersaBlade線對線連接器系統，了解詳情>>

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