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隨著(zhù)微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，芯片的尺寸越來(lái)越小，同時(shí)運算速度越來(lái)越快，發(fā)熱量也就越來(lái)越大，如英特爾處理器3.6G奔騰4終極版運行時(shí)產(chǎn)生的熱量最大可達115W，這就對芯片的散熱提出更高的要求。設計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(lái)有效的帶走熱量，保證芯片在所能承受的最高溫度以?xún)日９ぷ鳌?br />
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。本文介紹了根據散熱器規格、芯片功率、環(huán)境溫度等數據，通過(guò)熱傳導計算來(lái)求得芯片工作溫度的方法。 圖1 散熱器在芯片散熱中的應用 芯片的散熱過(guò)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體，所以空氣間隙會(huì )嚴重影響散熱效率，使散熱器的性能大打折扣，甚至無(wú)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，必須使用導熱性能好的導熱材料來(lái)填充，如導熱膠帶、導熱墊片、導熱硅酯、導熱黏合劑、相轉變材料等。如圖2所示，芯片發(fā)出的熱量通過(guò)導熱材料傳遞給散熱器，再通過(guò)風(fēng)扇的高速轉動(dòng)將絕大部分熱量通過(guò)對流（強制對流和自然對流）的方式帶走到周?chē)目諝庵�，強制將熱量排除，這樣就形成了從芯片，然后通過(guò)散熱器和導熱材料，到周?chē)諝獾纳嵬贰?br /> 圖2 芯片的散熱 表征熱傳導過(guò)程的物理量 圖3 一維熱傳導模型 在圖3的導熱模型中，達到熱平衡后，熱傳導遵循傅立葉傳熱定律： Q=K·A·(T1-T2)/L (1) 式中：Q為傳導熱量（W）；K為導熱系數（W/m℃）；A 為傳熱面積（m2）；L為導熱長(cháng)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) 對于單一均質(zhì)材料，材料的熱阻與材料的厚度成正比；對于非單一材料，總的趨勢是材料的熱阻隨材料的厚度增加而增大，但不是純粹的線(xiàn)形關(guān)系。 對于界面材料，用特定裝配條件下的熱阻抗來(lái)表征界面材料導熱性能的好壞更合適，熱阻抗定義為其導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接觸熱阻產(chǎn)生影響，而這些因素又與實(shí)際應用條件有關(guān)，所以界面材料的熱阻抗也將取決于實(shí)際裝配條件。導熱系數指物體在單位長(cháng)度上產(chǎn)生1℃的溫度差時(shí)所需要的熱功率，是衡量固體熱傳導效率的固有參數，與材料的外在形態(tài)和熱傳導過(guò)程無(wú)關(guān)，而熱阻和熱阻抗是衡量過(guò)程傳熱能力的物理量。 圖4 芯片的工作溫度 芯片工作溫度的計算如圖4的熱傳導過(guò)程中，總熱阻R為： R=R1+R2+R3 (4) 式中：R1為芯片的熱阻；R2為導熱材料的熱阻；R3為散熱器的熱阻。導熱材料的熱阻R2為： R2＝Z/A (5) 式中：Z為導熱材料的熱阻抗，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為熱傳導過(guò)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)規格中獲得，散熱器的熱阻可以從散熱器的技術(shù)規格中得到，從而可以計算出芯片的工作溫度T2。 實(shí)例 下面通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)計算芯片的工作溫度。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，導熱材料的熱阻抗Z為5.8℃cm2/W，導熱材料的傳熱面積為5cm2，周?chē)h(huán)境溫度為50℃。導熱材料理論熱阻R4為： R4＝Z/A＝5.8 (℃·cm2/W)/ 5(cm2)=1.16℃/W (7) 由于導熱材料同芯片和散熱器之間不可能達到100％的結合，會(huì )存在一些空氣間隙，因此導熱材料的實(shí)際熱阻要大于理論熱阻。假定導熱材料同芯片和散熱器之間的結合面積為總面積的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(jiàn)，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，或者選擇導熱效果更優(yōu)異的導熱材料，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?xún)取?/td> |
