中心議題：

• 芯片散熱的熱傳導設計

解決方案：

• 芯片的散熱過程
• 芯片工作溫度的計算
• 設計實例列舉

討論了表征熱傳導過程的各個物理量
，並且通過實例
，介紹了通過散熱過程的熱傳導計算來求得芯片實際工作溫度的方法
隨著微電子技術的飛速發展，芯片的尺寸越來越小，同時運算速度越來越快，發熱量也就越來越大，如英特爾處理器3.6G奔騰4終極版運行時產生的熱量最大可達115W，zhejiuduixinpiandesanretichugenggaodeyaoqiu。shejirenyuanjiubixucaiyongxianjindesanregongyihexingnengyouyidesanrecailiaolaiyouxiaodedaizoureliang，baozhengxinpianzaisuonengchengshoudezuigaowenduyineizhengchanggongzuo。

如圖1所示，目前比較常用的一種散熱方式是使用散熱器，用導熱材料和工具將散熱器安裝於芯片上麵，從而將芯片產生的熱量迅速排除。本文介紹了根據散熱器規格、芯片功率、環境溫度等數據，通過熱傳導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用

芯片的散熱過程

由you於yu散san熱re器qi底di麵mian與yu芯xin片pian表biao麵mian之zhi間jian會hui存cun在zai很hen多duo溝gou壑he或huo空kong隙xi
，其qi中zhong都dou是shi空kong氣qi。由you於yu空kong氣qi是shi熱re的de不bu良liang導dao體ti
，所suo以yi空kong氣qi間jian隙xi會hui嚴yan重zhong影ying響xiang散san熱re效xiao率lv，使shi散san熱re器qi的de性xing能neng大da打da折zhe扣kou
，甚shen至zhi無wu法fa發fa揮hui作zuo用yong。為wei了le減jian小xiao芯xin片pian和he散san熱re器qi之zhi間jian的de空kong隙xi，增zeng大da接jie觸chu麵mian積ji

，必bi須xu使shi用yong導dao熱re性xing能neng好hao的de導dao熱re材cai料liao來lai填tian充chong，如ru導dao熱re膠jiao帶dai
、導熱墊片、導熱矽酯、導熱黏合劑
、相轉變材料等。如圖2所示
，芯片發出的熱量通過導熱材料傳遞給散熱器，再通過風扇的高速轉動將絕大部分熱量通過對流（強製對流和自然對流）的方式帶走到周圍的空氣中，強製將熱量排除

，這樣就形成了從芯片，然後通過散熱器和導熱材料
，到周圍空氣的散熱通路。


圖2芯片的散熱

表征熱傳導過程的物理量


圖3一維熱傳導模型

在圖3的導熱模型中，達到熱平衡後，熱傳導遵循傅立葉傳熱定律：
Q=K•A•(T1-T2)/L(1)
式中：Q為傳導熱量（W）；K為導熱係數（W/m℃）
；A為傳熱麵積（m2）；L為導熱長度（m）。(T1-T2)為溫度差。
熱阻R表示單位麵積、單位厚度的材料阻止熱量流動的能力

，表示為：
R＝(T1-T2)/Q＝L/K•A(2)
對於單一均質材料，材料的熱阻與材料的厚度成正比；對於非單一材料，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係。

對dui於yu界jie麵mian材cai料liao
，用yong特te定ding裝zhuang配pei條tiao件jian下xia的de熱re阻zu抗kang來lai表biao征zheng界jie麵mian材cai料liao導dao熱re性xing能neng的de好hao壞huai更geng合he適shi

，熱re阻zu抗kang定ding義yi為wei其qi導dao熱re麵mian積ji與yu接jie觸chu表biao麵mian間jian的de接jie觸chu熱re阻zu的de乘cheng積ji，表biao示shi如ru下xia：
Z＝(T1-T2)/(Q/A)＝R•A(3)

表麵平整度、緊固壓力、cailiaohouduheyasuomoliangjiangduijiechurezuchanshengyingxiang，erzhexieyinsuyouyushijiyingyongtiaojianyouguan
，suoyijiemiancailiaoderezukangyejiangqujueyushijizhuangpeitiaojian。daorexishuzhiwutizaidanweichangdushangchansheng1℃dewenduchashisuoxuyaoderegonglv，shihenglianggutirechuandaoxiaolvdeguyoucanshu

，yucailiaodewaizaixingtaiherechuandaoguochengwuguan，errezuherezukangshihengliangguochengchuanrenenglidewuliliang。


圖4芯片的工作溫度

芯片工作溫度的計算

如圖4的熱傳導過程中
，總熱阻R為：
R=R1+R2+R3(4)
式中：R1為芯片的熱阻；R2為導熱材料的熱阻
；R3為散熱器的熱阻。導熱材料的熱阻R2為：
R2＝Z/A(5)
式中：Z為導熱材料的熱阻抗，A為傳熱麵積。芯片的工作溫度T2為：
T2＝T1+P×R(6)
式中：T1為空氣溫度；P為芯片的發熱功率；Rweirechuandaoguochengdezongrezu。xinpianderezuhegonglvkeyicongxinpianhesanreqidejishuguigezhonghuode
，sanreqiderezukeyicongsanreqidejishuguigezhongdedao，congerkeyijisuanchuxinpiandegongzuowenduT2。

實例列舉

下麵通過一個實例來計算芯片的工作溫度。芯片的熱阻為1.75℃/W

，功率為5W，最高工作溫度為90℃
，散熱器熱阻為1.5℃/W，導熱材料的熱阻抗Z為5.8℃cm2/W，導熱材料的傳熱麵積為5cm2，周圍環境溫度為50℃。導熱材料理論熱阻R4為：
R4＝Z/A＝5.8(℃•cm2/W)/5(cm2)=1.16℃/W(7)

由於導熱材料同芯片和散熱器之間不可能達到100％的結合，會存在一些空氣間隙，因此導熱材料的實際熱阻要大於理論熱阻。假定導熱材料同芯片和散熱器之間的結合麵積為總麵積的60％

，則實際熱阻R3為：
R3＝R4/60%＝1.93℃/W(8)
總熱阻R為：
R=R1+R2+R3=5.18℃/W(9)
芯片的工作溫度T2為：
T2＝T1+P×R＝50℃+(5W×5.18℃/W)＝75.9℃(10)

可見，芯片的實際工作溫度75.9℃小於芯片的最高工作溫度90℃，處於安全工作狀態。

如(ru)果(guo)芯(xin)片(pian)的(de)實(shi)際(ji)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)大(da)於(yu)最(zui)高(gao)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)，那(na)就(jiu)需(xu)要(yao)重(zhong)新(xin)選(xuan)擇(ze)散(san)熱(re)性(xing)能(neng)更(geng)好(hao)的(de)散(san)熱(re)器(qi)，增(zeng)加(jia)散(san)熱(re)麵(mian)積(ji)
，或(huo)者(zhe)選(xuan)擇(ze)導(dao)熱(re)效(xiao)果(guo)更(geng)優(you)異(yi)的(de)導(dao)熱(re)材(cai)料(liao)
，提(ti)高(gao)整(zheng)體(ti)散(san)熱(re)效(xiao)果(guo)，從(cong)而(er)保(bao)持(chi)芯(xin)片(pian)的(de)實(shi)際(ji)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)在(zai)允(yun)許(xu)範(fan)圍(wei)以(yi)內(nei)。