芯片的散熱、發(fā)熱等概念討論

硬件的小伙伴應(yīng)該都有“燒設(shè)備”的經(jīng)歷，芯片摸上去溫溫的，有的甚至燙手。

有些芯片在正常工作時(shí)，功耗很大，溫度也很高，需要涂散熱材料。

本文主要討論芯片的散熱/發(fā)熱、熱阻、溫升、熱設(shè)計(jì)等概念。

開(kāi)蓋后的酷睿i9-9900K上的硅脂散熱材料

芯片發(fā)熱和損耗

芯片的功率損耗，一方面指的是有效輸入功率和輸出功率的差值，稱(chēng)之為耗散功率，這部分損耗會(huì)轉(zhuǎn)化成熱量釋放，發(fā)熱并不是一個(gè)好東西，會(huì)降低部件和設(shè)備的可靠性，嚴(yán)重會(huì)損壞芯片。

耗散功率，英文為Power Dissipation，某些芯片的SPEC里面會(huì)有這個(gè)參數(shù)，指最大允許耗散功率，耗散功率和熱量是相對(duì)應(yīng)的，可允許耗散功率越大，相應(yīng)的結(jié)溫也會(huì)越大。

另一方面，芯片功耗指的是電器設(shè)備在單位時(shí)間中所消耗的能源的數(shù)量，單位為W，比如空調(diào)2000W等等。

熱阻和溫升

我們都知道一句話：下雪不冷化雪冷，這是一個(gè)物理過(guò)程，下雪是一個(gè)凝華放熱過(guò)程，化雪是一個(gè)融化吸熱過(guò)程。 芯片的溫升是相對(duì)于環(huán)境溫度（25℃）來(lái)說(shuō)的，所以不得不提熱阻的概念。

熱阻，英文Thermal Resistance，指的是當(dāng)有熱量在物體上傳輸時(shí)，在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值，單位是℃/W或者是K/W。 如下圖所示，將一個(gè)芯片焊接在PCB板上，芯片的散熱途徑主要有如下三種，對(duì)應(yīng)三種熱阻。

1、芯片內(nèi)部到外殼和引腳的熱阻——芯片固定的，無(wú)法改變。2、芯片引腳到PCB板的熱阻——良好的焊接和PCB板決定。3、芯片外殼到空氣的熱阻——由散熱器和芯片外圍空間決定。半導(dǎo)體芯片熱阻參數(shù)示意

Ta為環(huán)境溫度，Tc為外殼表面溫度，Tj為結(jié)溫。Θja：結(jié)溫（Tj）與環(huán)境溫度（Ta）之間的熱阻。Θjc：結(jié)溫（Tj）與外殼表面溫度（Tc）之間的熱阻。Θca：外殼表面溫度（Tc）與環(huán)境溫度（Ta）之間的熱阻。

熱阻的計(jì)算公式為：Θja =（Tj-Ta）/Pd →Tj=Ta+Θja*Pd其中Θja*Pd為溫升，也可以稱(chēng)之為發(fā)熱量。

1、在熱阻一定的情況下，功耗Pd越小，溫度越低。2、在功耗一定的情況下，熱阻越小越好，熱阻越小代表散熱越好。

結(jié)溫計(jì)算誤區(qū)

很多人計(jì)算結(jié)溫用這個(gè)公式：Tj=Ta+Θja*Pd，在TI的文檔中有說(shuō)明，其實(shí)并不準(zhǔn)確，在公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù)關(guān)鍵詞溫升，可獲取此文檔。

大致意思就是Θja是一個(gè)多變量函數(shù)，不能反應(yīng)芯片焊接在PCB板上的真實(shí)情況，和PCB的設(shè)計(jì)、Chip/Pad的大小有強(qiáng)相關(guān)性，隨著這些因素的改變，Θja值也會(huì)改變，芯片廠家在測(cè)試Θja時(shí)和我們實(shí)際使用情況有較大差別，所以用來(lái)計(jì)算結(jié)溫，誤差會(huì)很大。

熱阻Θja和這些參數(shù)有強(qiáng)相關(guān)性

同時(shí)使用Tj=Tc+Θjc*Pd這個(gè)公式，用紅外攝像機(jī)測(cè)量出芯片外殼溫度Tc，然后算出Tj也是不太準(zhǔn)確的。 廠家給出Θja和Θjc可能更多是讓我們?cè)u(píng)估芯片的熱性能如何，用于和其他芯片比較。

在某些芯片的參數(shù)中，會(huì)有ΨJT和ΨJB，這兩個(gè)參數(shù)不是真正的熱阻，芯片廠家在測(cè)試ΨJT和ΨJB的方法非常接近實(shí)際器件的應(yīng)用環(huán)境，所以可以用它來(lái)估算結(jié)溫，也被業(yè)界所采用，而且可以看出，這兩個(gè)參數(shù)是要比Θja和Θjc要小的，所以在同樣的功耗下，用Θja計(jì)算得出的結(jié)溫是比實(shí)際的溫度要偏大的。

ΨJT，指的是Junction to Top of Package，結(jié)到封裝外殼的參數(shù)，計(jì)算公式為T(mén)j=Tc+ΨJT*Pd，Tc為芯片外殼溫度。ΨJB，指的是Junction to Board，結(jié)到PCB板的參數(shù)，計(jì)算公式為：Tj=Tb+ΨJB*Pd，Tb為PCB板的溫度。

ΨJT和ΨJB可被用來(lái)計(jì)算結(jié)溫

熱設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)和EMC問(wèn)題一樣，最好在前期就解決掉，不然后期整改很麻煩。設(shè)計(jì)前期考慮結(jié)構(gòu)、PCB堆疊、布局、擺件等，后期考慮散熱材料等方式。

責(zé)任編輯：haq