供应芯片散热的热传导计算(图)

讨论了表征热传导过程的各个物理量，并且通过实例，介绍了通过散热过程的热传导计算来求得芯片实际工作温度的方法
随着微电子技术的飞速发展，芯片的尺寸越来越小，同时运算速度越来越快，发热量也就越来越大，如英特尔处理器3.6G奔腾4*版运行时产生的热量*大可达115W，这就对芯片的散热提出更高的要求。设计人员就*须采用*的散热工艺和性能优异的散热材料来*的带走热量，*芯片在所能承受的*高温度以内正常工作。
如图1所示，目前比较常用的一种散热方式是使用散热器，用导热材料和工具将散热器安装于芯片上面，从而将芯片产生的热量*排除。本文介绍了根据散热器规格、芯片功率、环境温度等数据，通过热传导计算来求得芯片工作温度的方法
芯片的散热过程
由于散热器底面与芯片表面之间会存在很多沟壑或空隙，其中都是空气。由于空气是热的不良导体，所以空气间隙会严重影响散热效率，使散热器的性能大打折扣，甚至无法发挥作用。为了减小芯片和散热器之间的空隙，*接触面积，*须使用导热性能好的导热材料来填充，如导热胶带、导热垫片、导热硅酯、导热黏合剂、相转变材料等。如图2所示，芯片发出的热量通过导热材料传递给散热器，再通过风扇的*转动将*大部分热量通过对流（强制对流和自然对流）的方式带走到四周的空气中，强制将热量排除，这样就形成了从芯片，然后通过散热器和导热材料，到四周空气的散热通路。
表征热传导过程的物理量
在图3的导热模型中，*热平衡后，热传导遵循傅立叶传热定律：
Q=K·A·(T1-T2)/L         (1)
式中：Q为传导热量（W）；K为导热系数（W/m℃）；A 为传热面积（m2）；L为导热长度（m）。(T1-T2)为温度差。
热阻R表示单位面积、单位厚度的材料阻止热量流动的能力，表示为：
R＝(T1-T2)/Q＝L/K·A    (2)
对于单一均质材料，材料的热阻与材料的厚度成正比；对于非单一材料，总的趋势是材料的热阻随材料的厚度增加而*，但不是纯粹的线形关系。
对于界面材料，用特定装配条件下的热阻*来表征界面材料导热性能的好坏更合适，热阻*定义为其导热面积与接触表面间的接触热阻的乘积，表示如下：   
Z＝(T1-T2)/(Q/A)＝R·A   (3)
表面平整度、紧固压力、材料厚度和压缩模量将对接触热阻产生影响，而这些因素又与实际应用条件有关，所以界面材料的热阻*也将取决于实际装配条件。导热系数指物体在单位长度上产生1℃的温度差时所需要的热功率，是衡量固体热传导效率的固有参数，与材料的外在形态和热传导过程无关，而热阻和热阻*是衡量过程传热能力的物理量。
芯片工作温度的计算
如图4的热传导过程中，总热阻R为：
R=R1 R2 R3               (4)

式中：R1为芯片的热阻；R2为导热材料的热阻；R3为散热器的热阻。导热材料的热阻R2为：
R2＝Z/A                   (5)
式中：Z为导热材料的热阻*，A为传热面积。芯片的工作温度T2为：
T2＝T1 P×R             (6)
式中：T1为空气温度；P为芯片的发热功率；R为热传导过程的总热阻。芯片的热阻和功率可以从芯片和散热器的技术规格中获得，散热器的热阻可以从散热器的技术规格中得到，从而可以计算出芯片的工作温度T2。
实例
下面通过一个实例来计算芯片的工作温度。芯片的热阻为1.75℃/W，功率为5W，*高工作温度为90℃，散热器热阻为1.5℃/W，导热材料的热阻*Z为5.8℃cm2/W，导热材料的传热面积为5cm2，四周环境温度为50℃。导热材料理论热阻R4为：
R4＝Z/A＝5.8 (℃·cm2/W)/   5(cm2)=1.16℃/W              (7)
由于导热材料同芯片和散热器之间不可能*100％的结合，会存在一些空气间隙，因此导热材料的实际热阻要大于理论热阻。假定导热材料同芯片和散热器之间的结合面积为总面积的60％，则实际热阻R3为：
R3＝R4/60%＝1.93℃/W    (8)
总热阻R为：
R=R1 R2 R3=5.18℃/W     (9)
芯片的工作温度T2为：
T2＝T1 P×R＝50℃ (5W×   5.18℃/W)＝75.9℃           (10)
可见，芯片的实际工作温度75.9℃小于芯片的*高工作温度90℃，处于*工作状态。
假如芯片的实际工作温度大于*高工作温度，那就需要重新选择散热性能更好的散热器，增加散热面积，或者选择导热效果更优异的导热材料，*整体散热效果，从而保持芯片的实际工作温度在答应范围以内（作者：方科）
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