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芯片散熱的熱傳導計算


討論了表征熱傳導過程的各個物理量,并且通過實例,介紹了通過散熱過程的熱傳導計算來求得芯片實際工作溫度的方法

隨著微電子技術的飛速發展,芯片的尺寸越來越小,同時運算速度越來越快,發熱量也就越來越大,如英特爾處理器3.6G奔騰4終極版運行時產生的熱量最大可達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的散熱工藝和性能優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,用導熱材料和工具將散熱器安裝于芯片上面,從而將芯片產生的熱量迅速排除.本文介紹了根據散熱器規格、芯片功率、環境溫度等數據,通過熱傳導計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,所以空氣間隙會嚴重影響散熱效率,使散熱器的性能大打折扣,甚至無法發揮作用.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,芯片發出的熱量通過導熱材料傳遞給散熱器,再通過風扇的高速轉動將絕大部分熱量通過對流(強制對流和自然對流)的方式帶走到周圍的空氣中,強制將熱量排除,這樣就形成了從芯片,然后通過散熱器和導熱材料,到周圍空氣的散熱通路.

表征熱傳導過程的物理量



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的能力,表示為:

R＝(T1-T2)/Q＝L/K·A    (2)

對于單一均質材料,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,但不是純粹的線形關系.

對于界面材料,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生影響,而這些因素又與實際應用條件有關,所以界面材料的熱阻抗也將取決于實際裝配條件.導熱系數指物體在單位長度上產生1℃的溫度差時所需要的熱功率,是衡量固體熱傳導效率的固有參數,與材料的外在形態和熱傳導過程無關,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

芯片工作溫度的計算

如圖4的熱傳導過程中,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為芯片的發熱功率;R為熱傳導過程的總熱阻.芯片的熱阻和功率可以從芯片和散熱器的技術規格中獲得,散熱器的熱阻可以從散熱器的技術規格中得到,從而可以計算出芯片的工作溫度T2.

實例

下面通過一個實例來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,周圍環境溫度為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,會存在一些空氣間隙,因此導熱材料的實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.

如果芯片的實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異的導熱材料,提高整體散熱效果,從而保持芯片的實際工作溫度在允許范圍以內.