1.3.5　技术沉淀

1．设计规则

① 明确天猫精灵在用户侧的工作环境，以此来制订产品的工作温度规格。

② 明确天猫精灵热设计目标，一般包括产品表面温度规格及元器件降额温度规格等。

③ 明确天猫精灵的应用场景及对应功耗，热评估需要覆盖各类应用场景及边界芯片，避免遗漏。

④ 天猫精灵热设计需要重点关注成本，优选常规低成本方案，尽量从架构上解决散热问题。

⑤ 天猫精灵热设计需要兼顾 PCB 设计、结构设计及射频设计等，权衡考虑，折中设计。

⑥ 产品采用单板设计方案时，需要对其进行合理的器件布局，在走线允许的前提下尽可能将功耗器件分散布置。

⑦ 在工艺成本无显著增加的条件下，应在器件底部进行热过孔设计用于辅助散热，尽可能铺大片的铜层连接过孔，减小 PCB 内部的热阻。元器件的正面和背面在条件允许的情况下做露铜处理，推荐露铜面积为器件面积的 4 倍。

⑧ 需要重点关注热敏感元器件（如晶体、电池）在 PCB 或天猫精灵内部的位置，尽可能避开热区，PCB 设计时可做一些隔热处理，如切割铜层等。

⑨ 开孔设计时，需要考虑热流通过开孔处对壳体的加热是否会引起局部壳温超标。

⑩ 检查是否有效地利用了热辐射的散热路径。

⑪ 天猫精灵热设计需要考虑软件温控策略的方案设计。

2．散热改进方法

EVT 阶段，若我们发现热测试不满足指标，则需要对其进行优化处理。一般会分为以下两种场景。

① 评估有风险的问题点，测试结果符合预期的，需根据前期提出的方案进行优化并测试。

 散热器优化：材质、厚度、表面处理方式、散热器设计方案等。

 导热材料选型：更换高热导率材料、设计更小的界面间隙、设计更小的界面热阻等。

 PCB 散热优化：增加过孔数量、过孔塞铜、PCB 露铜等。

 壳体散热优化：隔热、均热、增加表面发射率、用高导热塑料等。

② 对测试结果与预期差异较大的问题点，需进行原因分析、改进并归纳总结。

 增加测试温度点，获取更多的数据进行热分析。

 可能的原因：输入条件不准确（功耗、热阻）、建模方法错误、装配不良、测试方法错误等。

3．热设计方法论

（1）热设计概述

天猫精灵的散热路径如图 1-35 所示。我们热设计需要达到两个目标：一是芯片结温Tj满足器件降额规格，保证产品长期工作的稳定性和可靠性；二是天猫精灵表面温度满足规格，保证用户体验的安全性和舒适性。

图 1-35　天猫精灵的散热路径

天猫精灵的热设计，可以用疏、拓、均这三个接地气的词来概括。

① 疏。当元器件的热阻太大时，换热的路径会被严重阻塞，需要采取一定的措施疏通热路径，降低热阻。常见方案如下。

 选用热阻较小的元器件。IC 元器件选型时，同等条件下优先选择热阻更小的元器件，因为热阻小的元器件结温更低。

 PCB 采用过孔、嵌铜等方案强化热量在 PCB 内部的传导。自然散热场景中，PCB 是元器件热量的有效载体，PCB 内部导热性能的优化能有效改善元器件的散热。

 散热器的设计有效地对元器件进行热延展。例如，增大散热器的面积，或抬高散热器以增加散热器和 PCB 之间的热对流。

 选用高导热材料以降低元器件到散热器的热阻。高导热系数界面材料能有效减小芯片表面到散热器之间的热阻，达到降低芯片结温的目的，这里需要说明的是，高导热系数不等于低热阻。

② 拓。当现有散热路径不满足元器件散热要求时，我们需要增加新的散热路径强化散热，有效提升系统散热能力。常见方案如下。

 通过开孔设计增加对流换热。合理的开孔设计，如“烟囱效应”的合理利用能有效强化天猫精灵内部的自然对流散热。

 通过元器件或 PCB 贴壳的方式建立“热源 - 壳体 - 外界”的导热路径。例如，棱镜项目散热器和外壳一体化设计能有效降低表面温度 8℃。

 将原本光亮的散热器进行表面处理，提高其发射率，建立辐射换热路径。例如，对散热器表面做碳纳米涂层处理能有效降低芯片温度 5℃。

③ 均。对于天猫精灵表面出现的局部热点问题，需要采取一些均热措施消除局部热点。避免局部热点、提升用户体验的常见方案如下。

 产品内表面贴铜箔，有效均热。利用该方案可解决全贴合 LED 区域局部热点的问题。

 若局部热点处存在热短路，采用气凝胶等隔热材料增加该处热阻，同样可以起到均热的作用。隔热材料的热导率接近空气的导热系数［0.023W/（m· K）］，能够有效增大两端的温差，棱镜项目采用该方案，壳温降低了 2℃。需要说明的是，隔热材料只能降低局部区域的热流密度，不能降低外表面平均温度。

 导热塑料的应用，能够实现有效均热。天猫精灵产品外表面多采用塑料，导热系数多在 0.2 ～ 0.3W/（m· K）。使用导热塑料可以将塑料导热系数提升一个数量级，但考虑到成本和外观，天猫精灵尚未采用导热塑料方案。

（２）点链面原理

天猫精灵产品中，不同芯片、LED 灯等电子器件在工作时，会有一部分电能转换为热能，形成点热源。故在产品架构设计中，需要规划出每个热点的散热路径，使其热量可以高效地散发到产品的外部环境中，这种路径即为热设计中的散热链路。不同热点与链路一起组成了产品整体的散热架构，即为面。下面分别对点、链、面进行详细说明。

① 点——芯片端。散热架构如图 1-36 所示。

图 1-36　散热架构

热阻参数如下。

Rjc：结（芯片）到封装外壳的热阻，Rjc=（Tj-Tc）/P。

Rjb：结到 PCB 的热阻，Rjb=（Tj-Tb）/P。

Tj：芯片结温。

芯片特性：芯片满负荷运行状态下，能效低，发热量大；结温Tj 温度越高，能效越低，发热量成倍增加。

问题：某 H 芯片（满负荷 3W）无散热措施的时候，满频运行，多久温度会达到125℃？ H 芯片是十核芯片（四核低频 A53+ 四核高频 A53+ 双核 A72）。

答案：1 ～ 2s 内，CPU 发热量集中，且随着温度升高，能量成指数级快速叠加。

PBGA（Plastic Ball Grid Array，塑料焊球阵列封装）和 SOP 芯片的散热路径如下。

 向上通过封装塑料往外传导。

 向下通过金线、基板、焊球传导到 PCB。

 通过框架材料传递到 PCB。

PBGA 芯片散热路径延伸设计如下。

 向上：Die（晶粒）→芯片背部→散热片。

 向下：Die →芯片底部→ PCB →散热片。

② 链——热链路。

热设计中，先核对热源的热功耗，确定主要热源，再对每个热源器件的电子特性进行分析，确定其芯片内核到器件外部的主要散热路径是往上还是往下。在 PCB 设计布局中重点进行热设计，对每个热源进行合理的均热布局，同时在 PCB 布局走线及板材选型中进行重点设计，使主要热源均匀分布，达到快速均热的效果。热链路在特性上与电路有一定的一一对应关系，具体可参考表 1-6。

③ 面——产品热架构。

在热源明确、各热源链路设计清晰的情况下，针对整机架构布局，需要充分考虑热源、热链路之间的关系，避免热源与热链路重叠，同时也需要避开电池、金属按键等热敏器件。

在整体的热架构设计中，热链路应遵循热路径最短、热阻最小等原则。同时充分利用散热孔，考虑强迫对流及自然对流，确保产品整体的热设计最优化。

（3）热设计蓄水池原理

在针对小体积、大热源的热设计中，我们提炼出一套设计原理，既满足热链路的最短路径、最小热阻及最大接触面积的原则，达到最佳快速散热效果，又避免了在产品表面形成热点。该套设计方案称为热设计蓄水池原理，即将大热源的热量通过低热阻、高导热系数的路径，快速导热到一个大的散热体上。该散热体一般为铝、铜等材料的散热片或支架，且其与热源之间具备高温差，以达到快速导热的目的。同时大的散热体具备快速、大量储热和均热的能力，在此基础上，可以创造出较多的散热路径和较大的散热面积，以达到更高性能的散热和快速热平衡的效果。蓄水池原理示意图如图 1-37 所示。

（4） PR 振膜增强对流热设计原理

在产品架构设计中，我们利用产品内部空间，使产品内部形成顺畅的风流道，同时将散热片正对 PR（Passive Radiator，无源辐射器）振膜，并保持大于 7mm 的距离，充分利用振膜的振动带动空间内空气的流动，形成强迫对流换热，如图 1-38 所示。

（5）重点关注事项

① 主要元器件的温度门限。关注 CPU、单片机、充电 IC、PA（Power Amplifier，功放）等元器件。

图 1-38 PR 振膜增强对流热设计原理示意图

• CPU 温度越高，发热功耗越高，甚至成倍增加。

• PA、充电 IC 温度升高，发热增加，能效降低。

② 散热路径的短板。关注热阻大、热点区域。

• 局部热点：避免过快的将热量导入外壳，需充分的缓冲均热。

• 高热阻点：在两个零件热导面之间、空气层、阻热材料等处。

③ 合理选择热材料，均衡成本和空间。

• 充分利用热材料，增大导热面积，降低导热距离。

• 增加导热量，降低对导热材料的性能和用量依赖。

• 有效利用对流，在非密闭环境中创造良好对流环境。

④ 硬件性能与软件需求匹配，避免小马拉大车。

• 器件端严控热耗。

• 软件端合理配置使用场景，分优先级调度。

• 云、端算力相结合，降低端负载。

1.3.6 热设计流程规范

产品、品质、ID、HW（Hardware，硬件）、PCB、MD（Mechanic Desigh，机构设计）、热仿真、SW（Software，软件）等天猫精灵内部部门加强沟通，并与合作生产供应商进行资源匹配，逐步形成天猫精灵产品开发流程。在热设计阶段，我们进行热相关的评估和输入，通过热仿真输出热方案，并在 EVT 和 DVT 阶段进行实测验收，最后更新热参数输入，进行仿真数据回归，形成热设计的闭环，如图 1-39 所示。

图 1-39　热设计的闭环

天猫精灵产品热设计流程规范如图 1-40 所示，该流程在多个项目中得到验证，能够产出较好的结果。

图1-40　热设计流程规范

1.3.7 热仿真常用软件

1．FloTHERM

FloTHERM是一款专门针对电子器件和设备热设计而开发的商业CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）软件，可以实现从元器件级、PCB 和模块级、系统整机级到环境级的热分析，在行业内应用较为普遍，其仿真示意图如图 1-41 所示。相较于其他 CFD 软件，FloTHERM 比较简单，非常适合刚入门的热设计工程师。FloTHERM 广泛应用于芯片封装、通信和电源设备，以及终端电子产品和家电等领域。

2．ICEPAK

ICEPAK 软件是计算流体力学软件提供商 Fluent 公司专门为电子产品工程师定制开发的专业的电子热分析软件，其仿真示意图如图 1-42 所示。与 FloTHERM 相比，它的突出优势是能够很好地处理曲面几何，采用 Fluent 求解器，集成在 ANSYS 中，能与 ANSYS 其他模块进行耦合分析。ICEPAK 软件广泛应用于通信、汽车、航空航天及电子设备等领域。

     

图 1-41 FloTHERM 仿真示意图                       图 1-42 ICEPAK 仿真示意图

1.3.8 热设计常用工具

1．功率计

功耗是热的源头，因此功率测试是热测试中的一个重要项目。功率测试能判断功耗的输入是否符合预期，同时也可以精确地分解产品各支路器件的功耗，为解决散热问题提供方向性指导。功率计用于测量待测产品的功率，确认设备的工作状态，如图 1-43 所示。

图 1-43　功率计

2．热电偶

热电偶的工作原理是将两种不同成分的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号传播远等优点。热电偶如图 1-44 所示。

图1-44　热电偶

3．红外成像仪

红外成像仪用于非接触式测温，能够获得连续的二维温度场分布，且不干扰被测温度场，能够清晰地观察温度场中热耦合的情况，然后加以分析，从而高效、准确地确认问题所在。红外成像仪如图 1-45 所示。

图 1-45　红外成像仪

4．温度采集仪

温度采集仪用于采集记录各个热电偶线端在连续时间段内的温度，记录产品实际工作中的热稳态和瞬态特性，如图 1-46 所示。

图 1-46　温度采集仪

1.3.9 小结

优秀的热设计能以最小的成本维护产品的可靠性，为软、硬件设计创造更大的空间，为客户带来更好的体验。

天猫精灵一直以“客户第一”作为产品设计的导向，在温度体验上致力于做到行业最优。天猫精灵的主流有屏产品可以将表面温升控制在 15℃以内，相较于同类产品有 3℃以上的优势。每 1℃的背后，是天猫精灵团队对技术的探索和创新，也是天猫精灵团队的辛勤和汗水。没有一种方案可以一劳永逸地解决产品中的热问题，我们能做的就是在实践中成长，不断提高对热设计的要求，不忘初心，为客户带来更好的温度体验。通过在热设计上的积累和沉淀，天猫精灵团队已具备终端类电子产品系统散热方案解决的能力，能够在产品开发中完成热方案、热仿真、热测试及热分析的闭环工作，不仅能保障天猫精灵产品开发，同时也能应对新场景、新业务所带来的挑战。