芯片散熱的熱傳導計算

芯片散熱的熱傳導計算
作者：3M中國有限公司北京技術中心 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終极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优异的散熱材料來有效的帶走熱量，保証芯片在所能承受的最高溫度以內正常工作。

如圖1所示，目前比較常用的一种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。本文介紹了根据散熱器規格、芯片功率、環境溫度等數据，通過熱傳導計算來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

芯片的散熱過程

由于散熱器底面与芯片表面之間會存在很多溝壑或空隙，其中都是空气。由于空气是熱的不良導体，所以空气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，增大接触面積，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气中，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，到周圍空气的散熱通路。



圖2 芯片的散熱

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，材料的熱阻与材料的厚度成正比；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坏更合适，熱阻抗定義為其導熱面積与接触表面間的接触熱阻的乘積，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触熱阻產生影響，而這些因素又与實際應用條件有關，所以界面材料的熱阻抗也將取決于實際裝配條件。導熱系數指物体在單位長度上產生1℃的溫度差時所需要的熱功率，是衡量固体熱傳導效率的固有參數，与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

个人感觉，该方法适用于初期的散热器选型和芯片温度估算。
散热器与芯片标称的热阻都是在特定情况下测定的，实际使用时可能会有较大偏差。

是啊，实际应用状况千差万别，Tja或Tca是很难说的，就是没有个统一的标准。

你指的是Rja和Rca吧。
有时在作系统仿真时，会参考Rjc和Rjb。但考虑到芯片使用环境的差别很大，Rja和Rca的参考价值不大。

我倒很有兴趣了解，现在一般的芯片封装厂商做热设计的是不是主要就是研究Theta-jc和Theta-jb？我们公司在这方面刚起步，所以想了解其他厂商是怎么回事。具体计算的时候，如果只考虑Theta-jc和Theta-jb，是不是用什么PCB都可以？那用JEDEC标准的意义在哪里呢？

我想芯片封装厂商热设计的主要目的就是降低芯片内部热阻。Theta-jc和Theta-jb是较为常用的指标。
关于这两个值的测定，JEDEC有专门的标准，但其值不是固定的，会因为使用环境（空气流动，PCB等）的不同而改变。因此如果采用生产商提供的值进行热仿真，计算结果会有一定的偏差。
我觉得这两个值主要还是参考作用。

JB有了，我听说JEDEC很早就在讨论JC的标准，也不知道现在有没有定下来。

根据JC的定义，应该需要CASE表面的平均温度，请问你们是如何测量的？