中心議題：

• 芯片散熱的熱傳導設計

解決方案：

• 芯片的散熱過程
• 芯片工作溫度的計算
• 設計實例列舉

討論了表征熱傳導過程的各個物理量，並且通過實例，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(zhe)就(jiu)對(dui)芯(xin)片(pian)的(de)散(san)熱(re)提(ti)出(chu)更(geng)高(gao)的(de)要(yao)求(qiu)。設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)就(jiu)必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)先(xian)進(jin)的(de)散(san)熱(re)工(gong)藝(yi)和(he)性(xing)能(neng)優(you)異(yi)的(de)散(san)熱(re)材(cai)料(liao)來(lai)有(you)效(xiao)的(de)帶(dai)走(zou)熱(re)量(liang)
，保(bao)證(zheng)芯(xin)片(pian)在(zai)所(suo)能(neng)承(cheng)受(shou)的(de)最(zui)高(gao)溫(wen)度(du)以(yi)內(nei)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。

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於芯片上麵，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。


圖1散熱器在芯片散熱中的應用

芯片的散熱過程

由(you)於(yu)散(san)熱(re)器(qi)底(di)麵(mian)與(yu)芯(xin)片(pian)表(biao)麵(mian)之(zhi)間(jian)會(hui)存(cun)在(zai)很(hen)多(duo)溝(gou)壑(he)或(huo)空(kong)隙(xi)
，其(qi)中(zhong)都(dou)是(shi)空(kong)氣(qi)。由(you)於(yu)空(kong)氣(qi)是(shi)熱(re)的(de)不(bu)良(liang)導(dao)體(ti)
，所(suo)以(yi)空(kong)氣(qi)間(jian)隙(xi)會(hui)嚴(yan)重(zhong)影(ying)響(xiang)散(san)熱(re)效(xiao)率(lv)
，使(shi)散(san)熱(re)器(qi)的(de)性(xing)能(neng)大(da)打(da)折(zhe)扣(kou)，甚(shen)至(zhi)無(wu)法(fa)發(fa)揮(hui)作(zuo)用(yong)。為(wei)了(le)減(jian)小(xiao)芯(xin)片(pian)和(he)散(san)熱(re)器(qi)之(zhi)間(jian)的(de)空(kong)隙(xi)，增(zeng)大(da)接(jie)觸(chu)麵(mian)積(ji)，必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)導(dao)熱(re)性(xing)能(neng)好(hao)的(de)導(dao)熱(re)材(cai)料(liao)來(lai)填(tian)充(chong)
，如(ru)導(dao)熱(re)膠(jiao)帶(dai)


、導熱墊片、導熱矽酯
、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（強製對流和自然對流）的方式帶走到周圍的空氣中，強製將熱量排除，這樣就形成了從芯片
，然後通過散熱器和導熱材料，到周圍空氣的散熱通路。


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，達到熱平衡後，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為導熱係數（W/m℃）；A為傳熱麵積（m2）
；L為導熱長度（m）。(T1-T2)為溫度差。
熱阻R表示單位麵積、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)
對於單一均質材料，材料的熱阻與材料的厚度成正比
；對於非單一材料，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係。

對(dui)於(yu)界(jie)麵(mian)材(cai)料(liao)

，用(yong)特(te)定(ding)裝(zhuang)配(pei)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)熱(re)阻(zu)抗(kang)來(lai)表(biao)征(zheng)界(jie)麵(mian)材(cai)料(liao)導(dao)熱(re)性(xing)能(neng)的(de)好(hao)壞(huai)更(geng)合(he)適(shi)，熱(re)阻(zu)抗(kang)定(ding)義(yi)為(wei)其(qi)導(dao)熱(re)麵(mian)積(ji)與(yu)接(jie)觸(chu)表(biao)麵(mian)間(jian)的(de)接(jie)觸(chu)熱(re)阻(zu)的(de)乘(cheng)積(ji)
，表(biao)示(shi)如(ru)下(xia)：
Z＝(T1-T2)/(Q/A)＝R•A(3)

表麵平整度

、緊固壓力、材cai料liao厚hou度du和he壓ya縮suo模mo量liang將jiang對dui接jie觸chu熱re阻zu產chan生sheng影ying響xiang，而er這zhe些xie因yin素su又you與yu實shi際ji應ying用yong條tiao件jian有you關guan，所suo以yi界jie麵mian材cai料liao的de熱re阻zu抗kang也ye將jiang取qu決jue於yu實shi際ji裝zhuang配pei條tiao件jian。導dao熱re係xi數shu指zhi物wu體ti在zai單dan位wei長chang度du上shang產chan生sheng1℃的(de)溫(wen)度(du)差(cha)時(shi)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)熱(re)功(gong)率(lv)，是(shi)衡(heng)量(liang)固(gu)體(ti)熱(re)傳(chuan)導(dao)效(xiao)率(lv)的(de)固(gu)有(you)參(can)數(shu)，與(yu)材(cai)料(liao)的(de)外(wai)在(zai)形(xing)態(tai)和(he)熱(re)傳(chuan)導(dao)過(guo)程(cheng)無(wu)關(guan)，而(er)熱(re)阻(zu)和(he)熱(re)阻(zu)抗(kang)是(shi)衡(heng)量(liang)過(guo)程(cheng)傳(chuan)熱(re)能(neng)力(li)的(de)物(wu)理(li)量(liang)。


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為傳熱麵積。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wei熱re傳chuan導dao過guo程cheng的de總zong熱re阻zu。芯xin片pian的de熱re阻zu和he功gong率lv可ke以yi從cong芯xin片pian和he散san熱re器qi的de技ji術shu規gui格ge中zhong獲huo得de
，散san熱re器qi的de熱re阻zu可ke以yi從cong散san熱re器qi的de技ji術shu規gui格ge中zhong得de到dao，從cong而er可ke以yi計ji算suan出chu芯xin片pian的de工gong作zuo溫wen度duT2。

實例列舉

下麵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，導熱材料的傳熱麵積為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)

由於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於理論熱阻。假定導熱材料同芯片和散熱器之間的結合麵積為總麵積的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℃小於芯片的最高工作溫度90℃，處於安全工作狀態。

如ru果guo芯xin片pian的de實shi際ji工gong作zuo溫wen度du大da於yu最zui高gao工gong作zuo溫wen度du，那na就jiu需xu要yao重zhong新xin選xuan擇ze散san熱re性xing能neng更geng好hao的de散san熱re器qi
，增zeng加jia散san熱re麵mian積ji，或huo者zhe選xuan擇ze導dao熱re效xiao果guo更geng優you異yi的de導dao熱re材cai料liao，提ti高gao整zheng體ti散san熱re效xiao果guo，從cong而er保bao持chi芯xin片pian的de實shi際ji工gong作zuo溫wen度du在zai允yun許xu範fan圍wei以yi內nei。