芯片散熱的熱傳導計算

作者：3M中國有限公司北京技術(shù)中心 方科

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(shù)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版運行時產(chǎn)生的熱量可達115W，這就對芯片的散熱提出更高的要求。設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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，但不是純粹的線形關(guān)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(chǎn)生影響，而這些因素又與實際應(yīng)用條件有關(guān)，所以界面材料的熱阻抗也將取決于實際裝配條件。導熱系數(shù)指物體在單位長度上產(chǎn)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(guān)，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(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，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(jié)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(jié)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(nèi)。