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智能設備小型化設計 需導入先進封裝改善運算散熱議題

  • 陳婉潔

高密度PCB電路板,可在運作溫度較高的零組件區塊透過線路布局、加大銅面積、厚度改善關鍵零組件的散熱條件。Tring d.o.o.

DIGITIMES 企劃

越來越多智能化設備、IoT終端,甚至是工控電腦、閘道器等設備,均有志一同追求極致的小型化設計,但在機構可用空間限縮條件下、同時設備運算效能還需要呈倍數成長,那帶來的運算核心散熱議題就成為新設備設計的重大考驗…

新一代行動裝置、IoT設備,PCB角色不再是單純的電路載板,而是兼具高效散熱的關鍵元件之一。AT&S

新一代的電腦終端,可能僅是為了降低成本、便於設備部署,例如工控電腦、閘道器、IoT(Internet of Things)物聯網終端等,均面臨設備構型設計的極度小型化趨勢,體積變小的要求前提在其運算效能要求還需要進一步提升,最直接的做法即導入高效能SoC(System on a Chip)系統單晶片方案減少零組件數量,同時搭配HDI(High Density Interconnect)高密度互連技術PCB進一步縮小核心功能的載板體積,達到體積縮小目的。

小型化設計趨勢 增加設備載板熱處理難度

但設計產品實際會面對的問題,其實不光是零組件的布局縮小、主機板的小型化設計等,即便在PCB有效運用HDI優勢將尺寸大幅縮減,但實際上關鍵零組件的彼此布局間距也因此縮小,同時設備在追求更多複合功能、效能提升前提導入的SoC整合方案,也讓SoC或關鍵運算晶片的本身運作產生的熱能大幅增加,在零組件密度提高、關鍵零組件本身的散熱限制條件更嚴苛,設計方案必須考量的不再只是零組件布局或先進PCB的導入,如何處理更嚴苛的散熱條件已經是設計需面對的重大技術議題。

相同的問題更發生在手持式或穿戴式的智慧化設備上,例如新一代的智慧手錶不但需要整合搭配ECG(Electrocardiography)進階感測方案使智慧手錶可附加心律檢測應用,搭配其應用還需驅動高效能LED驅動輔助提升血氧感測精度條件,小型化機構下需要置入的SoC不再只是運算相關應用,多元感測器的驅動條件、高效能微型電池等複合零件整合,導致的散熱難題也會碰到相同的設計難題。

設備性能、功能要求不減 散熱處理成為產品設計關鍵

若依照目前主流產品趨勢檢視,其實設備功能並未因為體積減少而有所刪減,反而是為了增加產品附加價值或越級挑戰近似產品,在設備內的主/被動元件數不減反增,即便使用大量整合晶片設計,其實設備內部的店員負載,並未設備縮小而因此減少,反而有負載提升的趨勢,也因此使得負載點P.O.L(point-of-load)電源的功率密度有近一步提升的趨勢,設計設備時不但在選用P.O.L模組需關注功率密度,還需一併考量模組與其他關鍵晶片的散熱效能。

關注設備的幾個高發熱問題點,DC/DC轉換器通常會因為空間過於緊湊,過於緊湊的零組件布局,也終將導致P.O.L穩壓器產生較高熱量,高密度的零組件設置、有限的設備內機構空間限制,成為散熱條件需考量的重點,甚至高密度封裝的整合零組件也會導致週邊電源器件的散熱條件趨於惡劣,導致PCB與週邊元件的溫度同時提升,提升系統散熱處理方案的複雜度,徒增設置主/被動散熱元件的元件成本。

高溫電源器件 可透過PCB分擔系統熱處理負荷

降低PCB在電源器件的散熱問題,其實有相當多的方法可以嘗試於設計方案中,例如,PCB零組件電路載板其實就可以當作一個相當大面積的散熱通路看待,因為電源零組件如DC/DC轉換器,本身的運作升溫可以透過零組件引腳與零組件底部與PCB的接觸,近一步將元件本生運作產生的溫度引導至PCB進行散熱,但此改善方向需在PCB本身的熱阻夠低這個條件前提,才有機會成為改善高溫元件的散熱條件之一,此外,也可利用PCB本身的線路布局,例如高溫運作的電源零組件下方使用較大面積的銅箔線路布局,透過銅箔線路的高效率導溫的條件增加佈設其上的零組件散熱條件。

另一個方向是運用改善散熱的物理條件,例如,增加載板本身的空氣流動方向進行處理,簡單說就是前述提到個設置主/被動散熱方案,去改善整體載板與其上零組件的散熱條件,簡單的方向就是使用更大面積的散熱鰭片、PCB的銅面布局、增厚PCB的金屬板層等,或是將關鍵發熱的零組件布局稍稍拉更開些,讓空氣流通的散熱條件更好,但實際上又碰到前述的大問題,與設備小型化的設計方向衝突,所以改善條件能運用的僅有PCB增加金屬銅層的厚度、面積,並搭配布局微調,而大型散熱器的方向似乎就不是小型設備能夠選用的優化方案。

PCB熱阻條件優化 可提升系統穩定性與降低設計成本

使用PCB做為改善散熱條件方向,仍須注意PCB的熱阻與實際可讓系統保持在安全限溫條件的要求,若透過PCB優化方向對於系統散熱的改善幅度仍相對有限,在設計方向仍無法迴避選用散熱片、或散熱風扇等主/被動散熱解決方案進行改善,但另一方向是在小型化設備中,尤其是穿戴式的設備,思考散熱風散的方案是不切實際的,加上如智慧型手機等需要整合無線傳輸方案的設備,散熱風扇整合也會導致系統電波信號干擾、雜訊問題的處理成本,對應處理方案仍須進一步考量。

另一個處理方向是在P.O.L穩壓器的選用考量,在選擇關鍵零組件,如P.O.L穩壓器等,在散熱議題方向上零組件的功率密度,併不是選用P.O.L穩壓器的關鍵指標,如前述電子設備在體積設計條件限縮下,對產品本身的效能、附加功能要求並不會縮水,反而有越要越多的趨勢,這是市場競爭的產品設計考量,也是迴避不了的問題,這也會導致相同體積的電路板空間下,要置放的零組件、或運算效能會有倍數成長的問題需處理。

當負荷的功能增加、效能增加,電路載板上的電源消耗功率就會對應提升,導致P.O.L穩壓器勢必提高功率密度,即功率、體積或面積的比值需對應考量。設計產品時,設計者在可選用的穩壓器器件進行選擇時,功率密度即成為重點指標,如越高的規格參數自然在新設計有更高效的優勢,但實際上進行元件整合時,除零組件效能考量,也必須同時搭配前述幾項熱管理設計條件,才能讓整體系統的熱處理改善能獲得重點提升。