| [i=s] 本帖最后由 xyz549040622 于 2020-11-29 09:34 编辑 [/i] [b]热回路[/b][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]集成电路 (IC) 中的功率会从有源晶体管结以热的形式进行耗散，结的温度与耗散的功率成正比。厂家规定了最高结温，不过一般在 150℃ 左右。超过这个结温一般会导致器件损坏，所以设计者必须想方设法将尽可能多的热量从 IC 上传走。要做到这一点，他们可以依靠一个相当简单的模型来衡量热量的流动，这个模型类似于欧姆定律的电学计算，基于热阻概念，符号为 θ（图 1）。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px][attach]1582654[/attach][i]图 1：基于热阻（以 θ 符号表示）概念的带散热器 IC 的热回路模型。（图片来源：Digi-Key Electronics）[/i][/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]热阻是指热量从一种介质流向另一种介质时遇到的阻力。其单位是摄氏度/瓦特（℃/W），定义如下：[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px][attach]1582656[/attach] 公式 1[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]其中：[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]θ 是跨越热障的热阻，单位是 ℃/W。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]∆T 为跨越热障的温差，单位为 ℃。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]P 为结点耗散的功率，单位为瓦特。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]从 IC 和散热器的物理布局来看，有很多热界面。第一个在 IC 的结与壳之间，以热阻 θjc 来表示。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]散热器使用导热膏或导热胶带等热界面材料 (TIM) 粘接到 IC 上，以增强两个器件之间的导热率。这个导热层一般热阻很低，属外壳到散热器热阻的一部分，以 θcs 表示。最后一级是散热器与周围环境的界面，以 θsa 表示。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]热阻就像电子电路中的电阻一样，是串联在一起的。所有热阻的总和即为从结点到环境空气的总热阻。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]一般 IC 供应商会以隐含或明示方式指定结点到外壳的热阻。这种规格可能采用最大外壳温度形式提供，消除了其中一个热阻要素。应用 IC 的设计者无法控制结到外壳的热阻特征。但设计者却可以选择 TIM 和散热器特征，以充分冷却 IC，使结温保持在指定的最高温度以下。一般来说，TIM 和散热器的热阻越小，所冷却 IC 的外壳温度就越低。[/size][/font][/align][b]散热器选择实例[/b][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]Ohmite 提供的 BG 系列散热器旨在用于球栅阵列 (BGA) 或塑料球栅阵列 (PGBA) 中央处理单元 (CPU)、图形处理单元 (GPU) 或具有方形封装基底的类似处理器（图 2）。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px][attach]1582658[/attach][i]图 2：BG 系列散热器适合采用 BGA 封装的 IC，包括 CPU、GPU 和其他采用类似方形基底的 IC。（图片来源：Ohmite）[/i][/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]该系列共有 10 种散热器设计，其基底匹配常见 IC 配置，尺寸从 15× 15 毫米 (mm) 到 45×45 mm，鳍片面积从 2,060 到 10,893 mm2 不等（表 1）。这些符合 RoHS 规范的散热器采用黑色阳极氧化 6063-T5 铝合金制造。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px][attach]1582660[/attach][i]表 1：鳍片面积范围从 2,060 到 20,893 mm2 的 BG 系列。（表格来源：Digi-Key Electronics）[/i][/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]表中的热阻值是针对自然对流冷却情形的。使用风扇强制对流时，热阻会与冷却空气的速度成比例地降低。强制风冷可以将热阻降低二到三倍（图 3）。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px][attach]1582662[/attach][i]图 3：Ohmite BG 系列散热器的强制风冷热性能。（图片来源：Ohmite）[/i] [/size][/font][/align] |
| [i=s] 本帖最后由 xyz549040622 于 2020-11-29 09:37 编辑 [/i] [b]热界面材料[/b][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]以 Ohmite BG 系列为例，IC 外壳与散热器之间使用的热界面材料是双面导热胶带，随散热器一起提供。使用双面胶带可以简化安装，因为胶带不需要任何机械设计或制造。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]TIM 通常按照导热率来指定，单位为瓦/米-摄氏度 (W/(m°C)) 或瓦/米-开尔文 (W/(m K))。TIM 层的热阻取决于胶带的厚度和使用面积。热阻可以用公式计算。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px][attach]1582664[/attach] 公式 2[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]其中：[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]厚度以米 (m) 为单位。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]面积以平方米 (m2) 表示。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]导热率用瓦/(m°C) 或 瓦/(m°K) 表示。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]摄氏和开氏温度是可以互换的，因为它们都使用了相同的温度计量单位增量，计算的是温度的差值（例如，10℃ 的温度变化相当于 10°K 的温度变化）。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]从 Ohmite [url=https://www.digikey.cn/product-detail/zh/ohmite/BGAH150-075E/273-BGAH150-075E-ND/11561719]BGAH150-075E[/url] 15 x 15 x 7.5 mm 散热器（连接到 15 x 15 mm 器件上）来看，TIM 的面积为 22 5mm2 (225 E-6 m2)。所提供的散热胶带厚度为 0.009 英寸或 0.23 mm (0.00023 m)。指定导热率为 1.4 瓦/(m°K)。将这些值代入公式 2 即可得出：[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px][attach]1582666[/attach]公式 3[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]TIM 的热阻一般会比散热器的热阻小得多，散热器基底面积越大，其尺寸就会越低。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]以下面一个 IC 为例，我们来计算一下散热器使该 IC 保持在其温度极限内所需的最小热阻。考虑一个 15 x 15 mm 的 IC，其最大指定外壳温度为 85°C，正常工作时功耗为 2 瓦，在环境温度为 45°C 的机箱中工作。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]由于处理器的工作模式范围宽，确定其功率耗散可能很困难。一些制造商试图通过指定热设计功率或 TDP 来简化这个问题。TDP 是指运行“真实应用”时的耗电量。关于这一额定功率是否合适，有一些争论，因为它取决于应用。也可以参考 CPU 各供电电压的电源电流要求来确定最大功率耗散。该值可能高于 TDP 所描述的耗散。设计人员应查阅供应商的技术数据，确定 IC 的标称功率耗散的最佳估计值。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]回到上面这个例子，所需散热片和 TIM 的最小热阻 (θ) 可以通过公式 4 确定：[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px][attach]1582668[/attach] 公式 4[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]Ohmite BGAH150-075E 的热阻为 18℃/W；加上 TIM 的电阻 0.73℃/W，合计为18.73℃/W。这小于上面计算出的最小热阻，因此可以使用。如果选择这种散热器，在环境温度保持不变的情况下，根据使用公式 1 进行逆向计算，可估计出最高外壳温度为 82.5℃。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]作为替代散热器，如果选择 15 x 15 x 12.5 mm 的 Ohmite [url=https://www.digikey.cn/product-detail/zh/ohmite/BGAH150-125E/273-BGAH150-125E-ND/11561716]BGAH150-125E[/url]，由于鳍片较高，表面积较大，因此可将散热器和 TIM 的总热阻降低到 11℃/W。这样就可以在成本差不多的情况下，将外壳温度降低到 67℃ 左右，从而提供更大的温度裕量。[/size][/font][/align][align=left][font=Arial, Helvetica, sans-serif, dk][size=14px]其他考虑因素可能包括散热器的可用空间或可能需要一个冷却风扇。[/size][/font][/align] |
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