隨著微電子技術的飛速發(fā)展,芯片的尺寸越來越小,同時運算速度越來越快,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(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(guī)格、芯片功率、環(huán)境溫度等數(shù)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(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
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(shù)(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(shù)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(shù),與材料的外在形態(tài)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.
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(fā)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(guī)格中獲得,散熱器的熱阻可以從散熱器的技術規(guī)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(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(tài).
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(yōu)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(作者:方科 )
軟性硅膠導熱絕緣墊是傳熱界面材料中的一種,具有良好的導熱能力和絕緣特性,其作用就是填充發(fā)熱功率器件與散熱器或機器外殼之間,是替代導熱硅脂導熱膏加云母片(及相關絕緣材料)的二元散熱系統(tǒng)的最佳產品.
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