散熱器的選擇問題

大多數(shù)電子元件，尤其是微處理器和微控制器，由于尺寸持續(xù)縮小導(dǎo)致熱密度不斷增加。鑒于預(yù)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(jié)果是，熱設(shè)計(jì)和管理成為一個(gè)主要的設(shè)計(jì)問題。因此設(shè)計(jì)人員有責(zé)任對有效的熱管理和可用的散熱器解決方案有一個(gè)清晰的了解，以使設(shè)備的工作溫度保持在供應(yīng)商設(shè)定的范圍內(nèi)。

散熱器的工作原理就是增加設(shè)備暴露在冷卻劑（空氣）中的表面積。散熱器如果安裝得當(dāng)，就可以通過改善熱量跨越固體與空氣邊界向更冷環(huán)境空氣的傳遞來降低設(shè)備的溫度。

本文概述了散熱器的選擇，并就正確設(shè)計(jì)、組件選擇和最佳實(shí)踐提供了指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)出色的散熱性能。并以 Ohmite 的散熱器解決方案為例進(jìn)行了描述。

1 熱回路

集成電路 (IC) 中的功率會從有源晶體管結(jié)以熱的形式進(jìn)行耗散，結(jié)的溫度與耗散的功率成正比。廠家規(guī)定了最高結(jié)溫，不過一般在 150℃ 左右。超過這個(gè)結(jié)溫一般會導(dǎo)致器件損壞，所以設(shè)計(jì)者必須想方設(shè)法將盡可能多的熱量從 IC 上傳走。要做到這一點(diǎn)，他們可以依靠一個(gè)相當(dāng)簡單的模型來衡量熱量的流動(dòng)，這個(gè)模型類似于歐姆定律的電學(xué)計(jì)算，基于熱阻概念，符號為 θ（圖 1）。

熱阻是指熱量從一種介質(zhì)流向另一種介質(zhì)時(shí)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(jié)點(diǎn)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(gè)在 IC 的結(jié)與殼之間，以熱阻 θjc來表示。

散熱器使用導(dǎo)熱膏或?qū)崮z帶等熱界面材料 (TIM) 粘接到 IC 上，以增強(qiáng)兩個(gè)器件之間的導(dǎo)熱率。這個(gè)導(dǎo)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。最后一級是散熱器與周圍環(huán)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(lián)在一起的。所有熱阻的總和即為從結(jié)點(diǎn)到環(huán)境空氣的總熱阻。

一般 IC 供應(yīng)商會以隱含或明示方式指定結(jié)點(diǎn)到外殼的熱阻。這種規(guī)格可能采用最大外殼溫度形式提供，消除了其中一個(gè)熱阻要素。應(yīng)用 IC 的設(shè)計(jì)者無法控制結(jié)到外殼的熱阻特征。但設(shè)計(jì)者卻可以選擇 TIM 和散熱器特征，以充分冷卻 IC，使結(jié)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(shí)例

Ohmite 提供的 BG 系列散熱器旨在用于球柵陣列 (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(shè)計(jì)，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(guī)范的散熱器采用黑色陽極氧化 6063-T5 鋁合金制造。

表中的熱阻值是針對自然對流冷卻情形的。使用風(fēng)扇強(qiáng)制對流時(shí)，熱阻會與冷卻空氣的速度成比例地降低。強(qiáng)制風(fēng)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(dǎo)熱膠帶，隨散熱器一起提供。使用雙面膠帶可以簡化安裝，因?yàn)槟z帶不需要任何機(jī)械設(shè)計(jì)或制造。

TIM 通常按照導(dǎo)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 層的熱阻取決于膠帶的厚度和使用面積。熱阻可以用公式計(jì)算。

其中：

厚度以米 (m) 為單位。

面積以平方米 (m2) 表示。

導(dǎo)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?yàn)樗鼈兌际褂昧讼嗤臏囟扔?jì)量單位增量，計(jì)算的是溫度的差值（例如，10℃ 的溫度變化相當(dāng)于 10°K 的溫度變化）。

從 OhmiteBGAH150-075E15 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-6m2)。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(dǎo)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(gè) IC 為例，我們來計(jì)算一下散熱器使該 IC 保持在其溫度極限內(nèi)所需的最小熱阻?？紤]一個(gè) 15 x 15 mm 的 IC，其最大指定外殼溫度為 85°C，正常工作時(shí)功耗為 2 瓦，在環(huán)境溫度為 45°C 的機(jī)箱中工作。

由于處理器的工作模式范圍寬，確定其功率耗散可能很困難。一些制造商試圖通過指定熱設(shè)計(jì)功率或 TDP 來簡化這個(gè)問題。TDP 是指運(yùn)行“真實(shí)應(yīng)用”時(shí)的耗電量。關(guān)于這一額定功率是否合適，有一些爭論，因?yàn)樗Q于應(yīng)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。該值可能高于 TDP 所描述的耗散。設(shè)計(jì)人員應(yīng)查閱供應(yīng)商的技術(shù)數(shù)據(jù)，確定 IC 的標(biāo)稱功率耗散的最佳估計(jì)值。

回到上面這個(gè)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(jì)為18.73℃/W。這小于上面計(jì)算出的最小熱阻，因此可以使用。如果選擇這種散熱器，在環(huán)境溫度保持不變的情況下，根據(jù)使用公式 1 進(jìn)行逆向計(jì)算，可估計(jì)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，由于鰭片較高，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(gè)冷卻風(fēng)扇。

4 結(jié)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 系列散熱器為采用 BGA 封裝的 IC 的冷卻問題提供了可行的解決方案。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：如何保持低溫：散熱器選擇和應(yīng)用基礎(chǔ)

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