電子發燒友網 發表於 2020-12-06 10:07:00
大多數電子元件，尤其是微處理器和微控制器，由於尺寸持續縮小導致熱密度不斷增加。鑑於預期壽命、可靠性和性能與器件的工作溫度成反比，因此這種演變的結果是，熱設計和管理成為一個主要的設計問題。因此設計人員有責任對有效的熱管理和可用的散熱器解決方案有一個清晰的了解，以使設備的工作溫度保持在供應商設定的範圍內。
散熱器的工作原理就是增加設備暴露在冷卻劑（空氣）中的表面積。散熱器如果安裝得當，就可以通過改善熱量跨越固體與空氣邊界向更冷環境空氣的傳遞來降低設備的溫度。
本文概述了散熱器的選擇，並就正確設計、組件選擇和最佳實踐提供了指導，以實現出色的散熱性能。並以 Ohmite 的散熱器解決方案為例進行了描述。
1 熱迴路
集成電路 (IC) 中的功率會從有源電晶體結以熱的形式進行耗散，結的溫度與耗散的功率成正比。廠家規定了最高結溫，不過一般在 150℃ 左右。超過這個結溫一般會導致器件損壞，所以設計者必須想方設法將儘可能多的熱量從 IC 上傳走。要做到這一點，他們可以依靠一個相當簡單的模型來衡量熱量的流動，這個模型類似於歐姆定律的電學計算，基於熱阻概念，符號為 θ（圖 1）。
熱阻是指熱量從一種介質流向另一種介質時遇到的阻力。其單位是攝氏度/瓦特（℃/W），定義如下：
其中：
θ 是跨越熱障的熱阻，單位是 ℃/W。
∆T 為跨越熱障的溫差，單位為 ℃。
P 為結點耗散的功率，單位為瓦特。
從 IC 和散熱器的物理布局來看，有很多熱界面。第一個在 IC 的結與殼之間，以熱阻 θjc 來表示。
散熱器使用導熱膏或導熱膠帶等熱界面材料 (TIM) 粘接到 IC 上，以增強兩個器件之間的導熱率。這個導熱層一般熱阻很低，屬外殼到散熱器熱阻的一部分，以 θcs 表示。最後一級是散熱器與周圍環境的界面，以 θsa 表示。
熱阻就像電子電路中的電阻一樣，是串聯在一起的。所有熱阻的總和即為從結點到環境空氣的總熱阻。
一般 IC 供應商會以隱含或明示方式指定結點到外殼的熱阻。這種規格可能採用最大外殼溫度形式提供，消除了其中一個熱阻要素。應用 IC 的設計者無法控制結到外殼的熱阻特徵。但設計者卻可以選擇 TIM 和散熱器特徵，以充分冷卻 IC，使結溫保持在指定的最高溫度以下。一般來說，TIM 和散熱器的熱阻越小，所冷卻 IC 的外殼溫度就越低。
2 散熱器選擇實例
Ohmite 提供的 BG 系列散熱器旨在用於球柵陣列 (BGA) 或塑料球柵陣列 (PGBA) 中央處理單元 (CPU)、圖形處理單元 (GPU) 或具有方形封裝基底的類似處理器（圖 2）。
該系列共有 10 種散熱器設計，其基底匹配常見 IC 配置，尺寸從 15× 15 毫米 (mm) 到 45×45 mm，鰭片面積從 2,060 到 10,893 mm2 不等（表 1）。這些符合 RoHS 規範的散熱器採用黑色陽極氧化 6063-T5 鋁合金製造。
表中的熱阻值是針對自然對流冷卻情形的。使用風扇強制對流時，熱阻會與冷卻空氣的速度成比例地降低。強制風冷可以將熱阻降低二到三倍（圖 3）。
3 熱界面材料
以 Ohmite BG 系列為例，IC 外殼與散熱器之間使用的熱界面材料是雙面導熱膠帶，隨散熱器一起提供。使用雙面膠帶可以簡化安裝，因為膠帶不需要任何機械設計或製造。
TIM 通常按照導熱率來指定，單位為瓦/米-攝氏度 (W/(m°C)) 或瓦/米-開爾文 (W/(m K))。TIM 層的熱阻取決於膠帶的厚度和使用面積。熱阻可以用公式計算。
其中：
厚度以米 (m) 為單位。
面積以平方米 (m2) 表示。
導熱率用瓦/(m°C) 或 瓦/(m°K) 表示。
攝氏和開氏溫度是可以互換的，因為它們都使用了相同的溫度計量單位增量，計算的是溫度的差值（例如，10℃ 的溫度變化相當於 10°K 的溫度變化）。
從 Ohmite BGAH150-075E 15 x 15 x 7.5 mm 散熱器（連接到 15 x 15 mm 器件上）來看，TIM 的面積為 22 5mm2 (225 E-6 m2)。所提供的散熱膠帶厚度為 0.009 英寸或 0.23 mm (0.00023 m)。指定導熱率為 1.4 瓦/(m°K)。將這些值代入公式 2 即可得出：
TIM 的熱阻一般會比散熱器的熱阻小得多，散熱器基底面積越大，其尺寸就會越低。
以下面一個 IC 為例，我們來計算一下散熱器使該 IC 保持在其溫度極限內所需的最小熱阻。考慮一個 15 x 15 mm 的 IC，其最大指定外殼溫度為 85°C，正常工作時功耗為 2 瓦，在環境溫度為 45°C 的機箱中工作。
由於處理器的工作模式範圍寬，確定其功率耗散可能很困難。一些製造商試圖通過指定熱設計功率或 TDP 來簡化這個問題。TDP 是指運行「真實應用」時的耗電量。關於這一額定功率是否合適，有一些爭論，因為它取決於應用。也可以參考 CPU 各供電電壓的電源電流要求來確定最大功率耗散。該值可能高於 TDP 所描述的耗散。設計人員應查閱供應商的技術數據，確定 IC 的標稱功率耗散的最佳估計值。
回到上面這個例子，所需散熱片和 TIM 的最小熱阻 (θ) 可以通過公式 4 確定：
Ohmite BGAH150-075E 的熱阻為 18℃/W；加上 TIM 的電阻 0.73℃/W，合計為18.73℃/W。這小於上面計算出的最小熱阻，因此可以使用。如果選擇這種散熱器，在環境溫度保持不變的情況下，根據使用公式 1 進行逆向計算，可估計出最高外殼溫度為 82.5℃。
作為替代散熱器，如果選擇 15 x 15 x 12.5 mm 的 Ohmite BGAH150-125E，由於鰭片較高，表面積較大，因此可將散熱器和 TIM 的總熱阻降低到 11℃/W。這樣就可以在成本差不多的情況下，將外殼溫度降低到 67℃ 左右，從而提供更大的溫度裕量。
其他考慮因素可能包括散熱器的可用空間或可能需要一個冷卻風扇。
4 結語
從散熱的角度來看，選擇散熱器是比較簡單的。如上所述，Ohmite BG 系列散熱器為採用 BGA 封裝的 IC 的冷卻問題提供了可行的解決方案。
責任編輯：xj
原文標題：如何保持低溫：散熱器選擇和應用基礎
文章出處：【微信公眾號：電子發燒友網】歡迎添加關注！文章轉載請註明出處。
打開APP閱讀更多精彩內容聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴