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芯片散熱的熱傳導(dǎo)計(jì)算


討論了表征熱傳導(dǎo)過程的各個(gè)物理量,并且通過實(shí)例,介紹了通過散熱過程的熱傳導(dǎo)計(jì)算來求得芯片實(shí)際工作溫度的方法

隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,芯片的尺寸越來越小,同時(shí)運(yùn)算速度越來越快,發(fā)熱量也就越來越大,如英特爾處理器3.6G奔騰4終極版運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量最大可達(dá)115W,這就對(duì)芯片的散熱提出更高的要求.設(shè)計(jì)人員就必須采用先進(jìn)的散熱工藝和性能優(yōu)異的散熱材料來有效的帶走熱量,保證芯片在所能承受的最高溫度以內(nèi)正常工作.

如圖1所示,目前比較常用的一種散熱方式是使用散熱器,用導(dǎo)熱材料和工具將散熱器安裝于芯片上面,從而將芯片產(chǎn)生的熱量迅速排除.本文介紹了根據(jù)散熱器規(guī)格、芯片功率、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù),通過熱傳導(dǎo)計(jì)算來求得芯片工作溫度的方法.

芯片的散熱過程

由于散熱器底面與芯片表面之間會(huì)存在很多溝壑或空隙,其中都是空氣.由于空氣是熱的不良導(dǎo)體,所以空氣間隙會(huì)嚴(yán)重影響散熱效率,使散熱器的性能大打折扣,甚至無法發(fā)揮作用.為了減小芯片和散熱器之間的空隙,增大接觸面積,必須使用導(dǎo)熱性能好的導(dǎo)熱材料來填充,如導(dǎo)熱膠帶、導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱硅酯、導(dǎo)熱黏合劑、相轉(zhuǎn)變材料等.如圖2所示,芯片發(fā)出的熱量通過導(dǎo)熱材料傳遞給散熱器,再通過風(fēng)扇的高速轉(zhuǎn)動(dòng)將絕大部分熱量通過對(duì)流(強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流)的方式帶走到周圍的空氣中,強(qiáng)制將熱量排除,這樣就形成了從芯片,然后通過散熱器和導(dǎo)熱材料,到周圍空氣的散熱通路.

表征熱傳導(dǎo)過程的物理量



圖3 一維熱傳導(dǎo)模型

在圖3的導(dǎo)熱模型中,達(dá)到熱平衡后,熱傳導(dǎo)遵循傅立葉傳熱定律:

Q=K·A·(T1-T2)/L         (1)

式中:Q為傳導(dǎo)熱量(W);K為導(dǎo)熱系數(shù)(W/m℃);A 為傳熱面積(m2);L為導(dǎo)熱長(zhǎng)度(m).(T1-T2)為溫度差.

熱阻R表示單位面積、單位厚度的材料阻止熱量流動(dòng)的能力,表示為:

R＝(T1-T2)/Q＝L/K·A    (2)

對(duì)于單一均質(zhì)材料,材料的熱阻與材料的厚度成正比;對(duì)于非單一材料,總的趨勢(shì)是材料的熱阻隨材料的厚度增加而增大,但不是純粹的線形關(guān)系.

對(duì)于界面材料,用特定裝配條件下的熱阻抗來表征界面材料導(dǎo)熱性能的好壞更合適,熱阻抗定義為其導(dǎo)熱面積與接觸表面間的接觸熱阻的乘積,表示如下:    

Z＝(T1-T2)/(Q/A)＝R·A   (3)

表面平整度、緊固壓力、材料厚度和壓縮模量將對(duì)接觸熱阻產(chǎn)生影響,而這些因素又與實(shí)際應(yīng)用條件有關(guān),所以界面材料的熱阻抗也將取決于實(shí)際裝配條件.導(dǎo)熱系數(shù)指物體在單位長(zhǎng)度上產(chǎn)生1℃的溫度差時(shí)所需要的熱功率,是衡量固體熱傳導(dǎo)效率的固有參數(shù),與材料的外在形態(tài)和熱傳導(dǎo)過程無關(guān),而熱阻和熱阻抗是衡量過程傳熱能力的物理量.



圖4 芯片的工作溫度

芯片工作溫度的計(jì)算

如圖4的熱傳導(dǎo)過程中,總熱阻R為:

R=R1+R2+R3               (4)

式中:R1為芯片的熱阻;R2為導(dǎo)熱材料的熱阻;R3為散熱器的熱阻.導(dǎo)熱材料的熱阻R2為:

R2＝Z/A                   (5)

式中:Z為導(dǎo)熱材料的熱阻抗,A為傳熱面積.芯片的工作溫度T2為:

T2＝T1+P×R             (6)

式中:T1為空氣溫度;P為芯片的發(fā)熱功率;R為熱傳導(dǎo)過程的總熱阻.芯片的熱阻和功率可以從芯片和散熱器的技術(shù)規(guī)格中獲得,散熱器的熱阻可以從散熱器的技術(shù)規(guī)格中得到,從而可以計(jì)算出芯片的工作溫度T2.

實(shí)例

下面通過一個(gè)實(shí)例來計(jì)算芯片的工作溫度.芯片的熱阻為1.75℃/W,功率為5W,最高工作溫度為90℃,散熱器熱阻為1.5℃/W,導(dǎo)熱材料的熱阻抗Z為5.8℃cm2/W,導(dǎo)熱材料的傳熱面積為5cm2,周圍環(huán)境溫度為50℃.導(dǎo)熱材料理論熱阻R4為:

R4＝Z/A＝5.8 (℃·cm2/W)/   5(cm2)=1.16℃/W              (7)

由于導(dǎo)熱材料同芯片和散熱器之間不可能達(dá)到100%的結(jié)合,會(huì)存在一些空氣間隙,因此導(dǎo)熱材料的實(shí)際熱阻要大于理論熱阻.假定導(dǎo)熱材料同芯片和散熱器之間的結(jié)合面積為總面積的60%,則實(shí)際熱阻R3為:

R3＝R4/60%＝1.93℃/W    (8)

總熱阻R為:

R=R1+R2+R3=5.18℃/W     (9)

芯片的工作溫度T2為:

T2＝T1+P×R＝50℃+(5W×   5.18℃/W)＝75.9℃           (10)

可見,芯片的實(shí)際工作溫度75.9℃小于芯片的最高工作溫度90℃,處于安全工作狀態(tài).

如果芯片的實(shí)際工作溫度大于最高工作溫度,那就需要重新選擇散熱性能更好的散熱器,增加散熱面積,或者選擇導(dǎo)熱效果更優(yōu)異的導(dǎo)熱材料,提高整體散熱效果,從而保持芯片的實(shí)際工作溫度在允許范圍以內(nèi).