玉皇大帝身边金童玉女:芯片散熱計算器

玉皇大帝和王毋娘娘什么关系 www.cfwxe.club 根據散熱片有效面積(平方厘米)估算溫升系數(攝氏度/瓦)

公式: ℃/W = 50 / Sqrt(Area cm2 )

 
Area[A] (cm2)
有效面積
℃/W ( 溫升系數)

根據已知溫升計算散熱片的最小有效散熱片面積

公式: Area [A](cm2) = (50/(℃/W) )2

℃/W (溫升系數)
有效面積
Area[A] (cm2)

芯片散熱知識

一,熱阻

    硅材料:硅具有優良的半導體電學性質。禁帶寬度適中,為1.21電子伏。載流子遷移率較高,電子遷移率為1350平方厘米/伏 .秒,空穴遷移率為480平方厘米/伏 .秒。本征電阻率在室溫(300K)下高達2.3×10的5次方 歐 .厘米,摻雜後電阻率可控制在10的4次方~10的負4次方 歐 .厘米的寬廣范圍內,能滿足制造各種器件的需要。硅單晶的非平衡少數載流子壽命較長,在幾十微秒至1毫秒之間。熱導率較大,化學性質穩定,又易于形成穩定 的熱氧化膜。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜實現PN結表面鈍化和?;?,還可以形成金屬氧化物半導體結構,制造MOS型場效應晶體管和集成電路。上述性 質使PN結具有良好特性,使硅器件具有耐高壓,反向漏電流小,效率高,使用壽命長,可靠性好,熱傳導好等優點。

    在電腦中我們經??吹組OS器件,那么什么是MOS器件呢?

    MOS的全文是:Metal Oxide Semiconductor 金屬氧化物半導體。用氧化膜硅材料制作的場效應晶體管,就叫做MOS型場效應晶體管,既:金屬氧化物場效應晶體管。

    在冬季,當我們把手放在一塊木板和放在一塊鐵板上時,就會感覺到鐵板比木板涼,鐵板越大,接觸的越緊,越感到涼。這說明鐵板比木板的散熱能力好,而且散熱能力與面積,體積,幾何形狀,以及接觸面的緊密程度都有關系。

    在電腦工作時,芯片晶體管PN結的損耗(任何集成電路芯片都是由N個晶體管組成)產生了溫升Ti,它是通過管芯與外殼之間的熱阻Rri,無散熱片時元件外 殼和周圍環境之間的熱阻Rrb,元件與散熱片之間的熱阻Rrc和散熱片與周圍環境之間的熱阻Rrf這四種渠道將熱量傳走,使溫差能夠符合元件正常運行的要 求。

   由于熱的傳導以流過Rri,Rrc和Rrf三個熱阻為主,因此總熱阻Rrz可以用下式來表示:

   Rrz=Rri+Rrc+Rrf

    于是當芯片的允許溫升和功耗都已經確定了以后,即可定出需要的總熱阻Rrz,再從下式中決定散熱器的尺寸,這就是我要介紹熱阻的目的和它的應用。

    熱阻Rr是從芯片的管芯經外殼,接觸面,散熱片到周圍空氣的總熱阻Rrz,因此可有下式計算得知。

    Ti-Ta=Pc(Rti+Rrc+Rrf)=Pc Rrz

    Rrz=(Ti-Ta)/Pc

    式中:Ti芯片允許的結溫,Ta芯片環境周圍的空氣溫度,Pc芯片的熱源功率損耗

二,熱導系數

    熱導系數(又被稱作“導熱系數”或“導熱率”)是反映材料熱性能的重要物理量。熱傳導是熱交換的三種(熱傳導,對流和輻射)基本形式之一,是工程熱物理, 材料科學,固態物理,能源,環保等各個研究領域的課題。材料的導熱機理在很大程度上取決于它的微觀結構,熱量的傳遞依靠原子,分子圍繞平衡位置的振動以及 自由電子的遷移。在導電金屬中電子流起支配作用,在絕緣體和大部分半導體中則以晶格振動起主導作用。

    1882年法國科學家傅里葉(J.Fourier)建立了熱傳導理論,目前各種測量導熱系數的方法都是建立在傅里葉熱傳導定律的基礎上。當物體內部有溫度 梯度存在時,就有熱量從高溫處傳遞到低溫處,這種現象臂稱為熱傳導。傅里葉指出,在dt時間內通過ds面積的熱量dQ,正比于物體內的溫度梯度,其比例系 數時導熱系數,既:

              dQ/dt=-λ .dt/dx .ds

    式中dQ/dt為傳熱速率,dt/dx是與面積ds相垂直的方向上的溫度梯度,“-”號表示熱量由高溫區域傳向低溫區域,λ是熱導系數,表示物體導熱能力的大小。在式中λ的單位是W.m負1次方.K負1次方。

    對于各向異性材料,各個方向的導熱系數是不同的(常用張量來表示)。

    如果大家對上述的公式看不懂或不太明白(上述屬于大學高等物理課程),下面我用通俗的語言表述熱導系數。

    熱導系數又稱導熱系數或導熱率。表征物質熱傳導性能的物理量。設在物體內部垂直于導熱方向取兩個相距1米,面積為1平方米的平行面,而這兩個平面的溫度相 差1度,則在1秒內從一個平面傳導到另一平面的熱量就規定為該物質的熱導率。其單位為:瓦/(米.攝氏度),原工程單位制中則為:千卡/(米.小時.攝氏 度),熱導率的倒數稱為導熱熱阻。其它條件不變時,熱導率愈大導熱熱阻就愈小,則導熱量就愈大;反之則導熱量就愈小。

    通過上述公式和定義可知:芯片散熱方式是靠與芯片接觸的基板(銅材或鋁材)面積與機箱內的溫差通過箱內的空氣流散熱的,這種散熱量與基板面積成正比。當機 箱內溫度達到一定時,也就失去了散熱能力。要想把芯片散發出的熱量排走,在常規下只能用強風。所以無風扇靜音熱管的散熱方式,是不可取的。

   另外根據空氣動力學原理(就不列公式了),機箱風扇的安裝,風向必須一致,既:前入后出,形成一個風道,才能將箱體內的熱量帶走,起到散熱的目的。

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