芯片散熱解決方案

1、芯片散熱解決方案篇一：利用PCB散熱的要領(lǐng)與IC封裝策略利用PCB散熱的要領(lǐng)與IC封裝策略引言半導(dǎo)體制造公司很難控制使用其器件的系統(tǒng)。但是， 安裝IC的系統(tǒng)對于整體器件性能而言至關(guān)重要。對于定制 IC器件來說，系統(tǒng)設(shè)計人員通常會與制造廠商一起密切合 作，以確保系統(tǒng)滿足高功耗器件的眾多散熱要求。這種早期 的相互協(xié)作可以保證IC達(dá)到電氣標(biāo)準(zhǔn)和性能標(biāo)準(zhǔn)，同時保 證在客戶的散熱系統(tǒng)內(nèi)正常運行。許多大型半導(dǎo)體公司以標(biāo) 準(zhǔn)件來出售器件，制造廠商與終端應(yīng)用之間并沒有接觸。這 種情況下，我們只能使用一些通用指導(dǎo)原則，來幫助實現(xiàn)一 款較好的IC和系統(tǒng)無源散熱解決方案。普通半導(dǎo)體封裝類型為裸焊盤或者PowerPA

2、DTM式封 裝。在這些封裝中，芯片被貼裝在一個被稱作芯片焊盤的金 屬片上。這種芯片焊盤在芯片加工過程中對芯片起支撐作用， 同時也是器件散熱的良好熱通路。當(dāng)封裝的裸焊盤被焊接到 PCB后，熱量能夠迅速地從封裝中散發(fā)出來，然后進(jìn)入到 PCB中。之后，通過各PCB層將熱散發(fā)出去，進(jìn)入到周圍 的空氣中。裸焊盤式封裝一般可以傳導(dǎo)約80%的熱量，這些熱通過封裝底部進(jìn)入到PCB。剩余20%的熱通過器件導(dǎo) 線和封裝各個面散發(fā)出去。只有不到1%的熱量通過封裝頂 部散發(fā)。就這些裸焊盤式封裝而言，良好的PCB散熱設(shè)計 對于確保一定的器件性能至關(guān)重要。Fig. 1: PowerPAD design showing t

3、hermal path可以提高熱性能的PCB設(shè)計第一個方面便是PCB器 件布局。只要是有可能，PCB上的高功耗組件都應(yīng)彼此隔開。 這種高功耗組件之間的物理間隔，可讓每個高功耗組件周圍 的PCB面積最大化，從而有助于實現(xiàn)更好的熱傳導(dǎo)。應(yīng)注 意將PCB上的溫度敏感型組件與高功耗組件隔離開。在任 何可能的情況下，高功耗組件的安裝位置都應(yīng)遠(yuǎn)離PCB拐 角。更為中間的PCB位置，可以最大化高功耗組件周圍的 板面積，從而幫助散熱。圖2顯示了兩個完全相同的半導(dǎo) 體器件：組件A和B。組件A位于PCB的拐角處，有一個 比組件B高5%的芯片結(jié)溫，因為組件B的位置更靠中間 一些。由于用于散熱的組件周圍板面積更小，因

4、此組件A的 拐角位置的散熱受到限制。圖2組件布局對熱性能的影響。PCB拐角組件的芯 片溫度比中間組件更高第二個方面是PCB的結(jié)構(gòu)，其對PCB設(shè)計熱性能最具 決定性影響的一個方面。一般原則是：PCB的銅越多，系統(tǒng) 13組件的熱性能也就越高。半導(dǎo)體器件的理想散熱情況是芯片 貼裝在一大塊液冷銅上。對大多數(shù)應(yīng)用而言，這種貼裝方法 并不切實際，因此我們只能對PCB進(jìn)行其他一些改動來提 高散熱性能。對于今天的大多數(shù)應(yīng)用而言，系統(tǒng)總體積不斷 縮小，對散熱性能產(chǎn)生了不利的影響。更大的PCB，其可用 于熱傳導(dǎo)的面積也就越大，同時也擁有更大靈活性，可在各 高功耗組件之間留有足夠的空間。在任何可能的情況下，都要最大

5、化PCB銅接地層的數(shù) 量和厚度。接地層銅的重量一般較大，它是整個PCB散熱 的極好熱通路。對于各層的安排布線，也會增加用于熱傳導(dǎo) 的銅的總比重。但是，這種布線通常是電熱隔離進(jìn)行的，從 而限制其作為潛在散熱層的作用。對器件接地層的布線，應(yīng) 在電方面盡可能地與許多接地層一樣，這樣便可幫助最大化 熱傳導(dǎo)。位于半導(dǎo)體器件下方PCB上的散熱通孔，幫助熱 量進(jìn)入到PCB的各隱埋層，并傳導(dǎo)至電路板的背部。對提高散熱性能來說，PCB的頂層和底層是“黃金地 段氣使用更寬的導(dǎo)線，在遠(yuǎn)離高功耗器件的地方布線，可 以為散熱提供熱通路。專用導(dǎo)熱板是PCB散熱的一種極好 方法。導(dǎo)熱板一般位于PCB的頂部或者背部，并通過直

6、接 銅連接或者熱通孔，熱連接至器件。內(nèi)聯(lián)封裝的情況下（僅兩側(cè)有引線的封裝），這種導(dǎo)熱 板可以位于PCB的頂部，形狀像一根“狗骨頭”（中間與封 裝一樣窄小，遠(yuǎn)離封裝的地方連接銅面積較大，中間小兩端 大）。四側(cè)封裝的情況下（四側(cè)都有引線），導(dǎo)熱板必須位于 PCB背部或者進(jìn)入PCB內(nèi)。圖3雙列直插式封裝的“狗骨頭”形方法舉例增加導(dǎo)熱板尺寸是提高PowerPAD式封裝熱性能的一 種極好方法。不同的導(dǎo)熱板尺寸對熱性能有極大的影響。以 表格形式提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表單一般會列舉出這些尺寸信息。 但是，要對定制PCB增加的銅所產(chǎn)生影響進(jìn)行量化，是一 件很困難的事情。利用一些在線計算器，用戶可以選擇某個 器件，然后

7、改變銅墊尺寸的大小，便可以估算出其對非 JEDEC PCB散熱性能的影響。這些計算工具，突出表明了 PCB 設(shè)計對散熱性能的影響程度。對四側(cè)封裝而言，頂部焊盤的 面積剛好小于器件的裸焊盤面積，在此情況下，隱埋或者背 部層是實現(xiàn)更好冷卻的首先方法。對于雙列直插式封裝來說， 我們可以使用“狗骨頭”式焊盤樣式來散熱。最后，更大PCB的系統(tǒng)也可以用于冷卻。螺絲散熱連 接至導(dǎo)熱板和接地層的情況下，用于安裝PCB的一些螺絲 也可以成為通向系統(tǒng)底座的有效熱通路?？紤]到導(dǎo)熱效果和 成本，螺絲數(shù)量應(yīng)為達(dá)到收益遞減點的最大值。在連接至導(dǎo) 熱板以后，金屬PCB加強板擁有更多的冷卻面積。對于一 些PCB罩有外殼的應(yīng)用

8、來說，型控焊補材料擁有比風(fēng)冷外 殼更高的熱性能。諸如風(fēng)扇和散熱片等冷卻解決方案，也是 系統(tǒng)冷卻的常用方法，但其通常會要求更多的空間，或者需 要修改設(shè)計來優(yōu)化冷卻效果。要想設(shè)計出一個具有較高熱性能的系統(tǒng)，光是選擇一 種好的IC器件和封閉解決方案還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。IC的散熱性能 調(diào)度依賴于PCB，以及讓IC器件快速冷卻的散熱系統(tǒng)的能 力大小。利用上述無源冷卻方法，可以極大地提高系統(tǒng)的散 熱性能。篇二：常見的散熱方法有哪些常見的散熱方法有哪些散熱就所采用的方式來說，可以分為兩種，被動散熱 和主動散熱，在主動散熱中依據(jù)所采用的散熱方式而言又分 為風(fēng)冷散熱、水冷散熱、液冷散熱、熱管散熱器散熱、半導(dǎo) 體致冷片散

9、熱、壓縮機(jī)輔助散熱和液氮散熱等幾種。散熱片被動散熱所謂被動散熱，也就說在不借助其他輔助散熱方式的 情況下，通過散熱片自身與芯片的接觸，進(jìn)行熱傳導(dǎo)帶走芯 片上聚集的熱量，但是目前電腦零部件的制造越來越復(fù)雜， 瞬間發(fā)熱量驚人，僅僅采用被動散熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足CPU散熱 的需要，所以現(xiàn)在我們只能在那些發(fā)熱量不高的主板南北橋 控制芯片或者一些發(fā)熱量不高的顯卡顯示芯片上才能見到 這種散熱方式。風(fēng)冷散熱風(fēng)冷散熱是現(xiàn)在最為常見且使用率最高的一種散熱方 式，屬于主動散熱，這種散熱方式可以解決我們通常的散熱 需要，技術(shù)成熟并且價格適中，因而在市場上被普遍使用。 風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，安全可靠。但是它也存在

10、一些缺點，不能將溫度降至室溫以下，而且由于存在風(fēng)扇的 轉(zhuǎn)動，所以有噪音，并且如果安裝不當(dāng)還會導(dǎo)致風(fēng)扇震動， 長此以往就會損壞電腦元件，而且風(fēng)扇壽命還有時間限制。水冷散熱顧名思義，水冷散熱就是利用水來代替空氣，通過水 的運動在散熱片之間通過熱對流來帶走多余的熱量。水冷系 統(tǒng)的工作原理很簡單，就是利用水泵把水從儲水器中抽出來， 通過水管流進(jìn)覆蓋在CPU上面的熱交換器，然后水再從熱交 換器的另外一個口出來，通過水管流回儲水箱，就這樣不斷 循環(huán)，把熱量從CPU的表面帶走。整個水冷系統(tǒng)包括熱交換 器、循環(huán)系統(tǒng)、水箱、水泵和水等。水冷系統(tǒng)的散熱能力非 常強勁，非常適合一些超頻愛好者采用。液冷散熱嚴(yán)格地說，

11、液冷散熱的原理和水冷散熱相同，它們散 熱所采用的散熱方式是一樣的，不同的是在循環(huán)系統(tǒng)中流動 的是導(dǎo)熱硅油而非水，這樣的好處顯而易見，它不會由于循 環(huán)系統(tǒng)的損壞使得流出的硅油導(dǎo)致電腦硬件的損壞。目前市 場上所售的澳柯瑪液冷散熱器就屬于此類散熱器。除了以上介紹的主動散熱方式外，還有熱管散熱、半 導(dǎo)體致冷片散熱、壓縮機(jī)制冷散熱、液氮散熱等方式，由于 這些方式對于大多數(shù)用戶來說實現(xiàn)困難，這里就不詳細(xì)介紹 了.面對市場上品種繁多的各類風(fēng)冷散熱器，究竟哪一種 比較好呢？看來只有了解風(fēng)冷散熱的秘密后才能學(xué)會正確 識別風(fēng)冷散熱器。其實，風(fēng)冷散熱器的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，通常包括三部分一一散熱片、風(fēng)扇和扣具。只有這 三

12、部分均符合要求才能確保散熱器有穩(wěn)定可靠的散熱效果。 那么什么樣的設(shè)計和產(chǎn)品才能符合要求呢？篇三：芯片散熱的熱傳導(dǎo)計算芯片散熱的熱傳導(dǎo)計算（圖）討論了表征熱傳導(dǎo)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(dǎo)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 理器奔騰4終極版運行時產(chǎn)生的熱量最大可達(dá)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(jìn)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 在所能承受的最高溫度以內(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

13、熱器，用導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用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(dǎo)體，所以空氣間 隙會嚴(yán)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(dǎo)熱性能好的導(dǎo)熱材料來填充，如導(dǎo)熱膠帶、 導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱硅酯、導(dǎo)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(dǎo)熱材料傳遞給散熱器，再通過 風(fēng)扇的高速

14、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(dǎo)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(dǎo)過程的物理量圖3 一維熱傳導(dǎo)模型在圖3的導(dǎo)熱模型中，達(dá)到熱平衡后，熱傳導(dǎo)遵循傅 立葉傳熱定律：Q=KA （T1-T2）/L（1）式中：Q為傳導(dǎo)熱量（W）； K為導(dǎo)熱系數(shù)（W/mC）；A為 傳熱面積（m2）； L為導(dǎo)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/KA (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

15、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(dǎo)熱性能的好壞更合 適，熱阻抗定義為其導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)指物 體在單位長度上產(chǎn)生1C的溫度差時所需要的熱功率，是衡 量固體熱傳導(dǎo)效率的固有參數(shù)，與材料的外在形態(tài)和熱傳導(dǎo) 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。圖4芯片的工

16、作溫度芯片工作溫度的計算 如圖4的熱傳導(dǎo)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(dǎo)熱材料的熱阻；R3為 散熱器的熱阻。導(dǎo)熱材料的熱阻R2為：R2 = Z/A (5)式中：Z為導(dǎo)熱材料的熱阻抗，A為傳熱面積。芯片的 工作溫度T2為：T2 = T1+PXR (6)式中：T1為空氣溫度；P為芯片的發(fā)熱功率；R為熱傳 導(dǎo)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C/W，功率為5W,最高工作溫度為90C，散熱器

17、熱阻 為。C/W，導(dǎo)熱材料的熱阻抗Z為Ccm2/W，導(dǎo)熱材料的傳熱面積為5cm2,周圍環(huán)境溫度 為50C。導(dǎo)熱材料理論熱阻R4為：R4 = Z/A= (Ccm2/W)/5(cm2) 二 C/W (7)由于導(dǎo)熱 材料同芯片和散熱器之間不可能達(dá)到100%的結(jié)合，會存在 一些空氣間隙，因此導(dǎo)熱材料的實際熱阻要大于理論熱阻。 假定導(dǎo)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%=C/W (8)總熱阻R為：R=R1+R2+R3=C/W (9)芯片的工作溫度T2為：T2 = T1+PXR = 50C + (5WXC/W)=C (10)可見，芯 片的實際工作溫度

18、C小于芯片的最高工作溫度90C,處于安 全工作狀態(tài)。如果芯片的實際工作溫度大于最高工作溫度，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(dǎo)熱效果更優(yōu)異的導(dǎo)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)。我用7805 7810如何計算散熱片尺寸？文章轉(zhuǎn)載或出處三中國電子技術(shù)信息網(wǎng)三 網(wǎng)址：我用7805 7810如何計算散熱片尺寸？以7805為例說明問題。設(shè) I=350mA，Vin=12V，則耗散功率 Pd=（12V-5V）*= 按 照TO-220封裝的熱阻。JA=54C/W，溫升是132C，設(shè)室溫 25C，那么將會達(dá)到7805的熱保護(hù)點150C, 7805會斷開輸出。正確的設(shè)計方法是：首先確定最高的環(huán)境溫度，比如60C，查出民品7805 的最高結(jié)溫TJMAX=125C，那么允許的溫升是65C。要求的 熱阻是65C/=26C/W。再查7805的熱阻，TO-220封裝的熱 阻0