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原创:Art Pini 得捷电子DigiKey

大多数电子元件,尤其是微处理器和微控制器,由于尺寸持续缩小导致热密度不断增加。鉴于预期寿命、可靠性和性能与器件的工作温度成反比,因此这种演变的结果是,热设计和管理成为一个主要的设计问题。因此设计人员有责任对有效的热管理和可用的散热器解决方案有一个清晰的了解,以使设备的工作温度保持在供应商设定的范围内。

散热器的工作原理就是增加设备暴露在冷却剂(空气)中的表面积。散热器如果安装得当,就可以通过改善热量跨越固体与空气边界向更冷环境空气的传递来降低设备的温度。

本文概述了散热器的选择,并就正确设计、组件选择和最佳实践提供了指导,以实现出色的散热性能。并以Ohmite的散热器解决方案为例进行了描述。

热回路

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)。

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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)

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:

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公式1

其中:

  • θ是跨越热障的热阻,单位是℃/W。
  • ?T为跨越热障的温差,单位为℃。
  • P为结点耗散的功率,单位为瓦特。

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。

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。

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。

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。

散热器选择实例

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)。

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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)

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 × 45mm,鳍片面积从2,060到10,893mm2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。

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表1:鳍片面积范围从2,060到20,893mm2的BG系列。(表格来源:Digi-Key Electronics)

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)。

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图3:Ohmite BG系列散热器的强制风冷热性能。(图片来源:Ohmite)

热界面材料

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。

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。

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公式2

其中:

  • 厚度以米 (m) 为单位。
  • 面积以平方米 (m2) 表示。
  • 导热率用瓦/(m°C) 或瓦/(m°K) 表示。

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)。

从Ohmite BGAH150-075E 15 x 15 x 7.5mm散热器(连接到15 x 15mm器件上)来看,TIM的面积为225mm2 (225 E-6 m2)。所提供的散热胶带厚度为0.009英寸或0.23mm (0.00023m)。指定导热率为1.4瓦/(m°K)。将这些值代入公式2 即可得出:

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公式3

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。

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 15mm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。

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。

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:

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公式4

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℃。

作为替代散热器,如果选择15 x 15 x 12.5mm的Ohmite BGAH150-125E,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。

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

本文小结

从散热的角度来看,选择散热器是比较简单的。如上所述,Ohmite BG系列散热器为采用BGA封装的IC的冷却问题提供了可行的解决方案。

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