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芯片的散热、发热等概念讨论

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2021-10-14 16:30:26

硬件的小伙伴应该都有“烧设备”的经历,芯片摸上去温温的,有的甚至烫手。

有些芯片在正常工作时,功耗很大,温度也很高,需要涂散热材料。

本文主要讨论芯片的散热/发热、热阻、温升、热设计等概念。

芯片发热和损耗

芯片的功率损耗,一方面指的是有效输入功率和输出功率的差值,称之为耗散功率,这部分损耗会转化成热量释放,发热并不是一个好东西,会降低部件和设备的可靠性,严重会损坏芯片。

耗散功率,英文为Power Dissipation,某些芯片的SPEC里面会有这个参数,指最大允许耗散功率,耗散功率和热量是相对应的,可允许耗散功率越大,相应的结温也会越大。

另一方面,芯片功耗指的是电器设备在单位时间中所消耗的能源的数量,单位为W,比如空调2000W等等。

热阻和温升

我们都知道一句话:下雪不冷化雪冷,这是一个物理过程,下雪是一个凝华放热过程,化雪是一个融化吸热过程。 芯片的温升是相对于环境温度(25℃)来说的,所以不得不提热阻的概念。

热阻,英文Thermal Resistance,指的是当有热量在物体上传输时,在物体两端温度差与热源的功率之间的比值,单位是℃/W或者是K/W。 如下图所示,将一个芯片焊接在PCB板上,芯片的散热途径主要有如下三种,对应三种热阻。

1、芯片内部到外壳和引脚的热阻——芯片固定的,无法改变。2、芯片引脚到PCB板的热阻——良好的焊接和PCB板决定。3、芯片外壳到空气的热阻——由散热器和芯片外围空间决定。半导体芯片热阻参数示意

Ta为环境温度,Tc为外壳表面温度,Tj为结温。Θja:结温(Tj)与环境温度(Ta)之间的热阻。Θjc:结温(Tj)与外壳表面温度(Tc)之间的热阻。Θca:外壳表面温度(Tc)与环境温度(Ta)之间的热阻。

热阻的计算公式为:Θja =(Tj-Ta)/Pd →Tj=Ta+Θja*Pd其中Θja*Pd为温升,也可以称之为发热量。

1、在热阻一定的情况下,功耗Pd越小,温度越低。2、在功耗一定的情况下,热阻越小越好,热阻越小代表散热越好。

结温计算误区

很多人计算结温用这个公式:Tj=Ta+Θja*Pd,在TI的文档中有说明,其实并不准确,在公众号后台回复关键词温升,可获取此文档。

大致意思就是Θja是一个多变量函数,不能反应芯片焊接在PCB板上的真实情况,和PCB的设计、Chip/Pad的大小有强相关性,随着这些因素的改变,Θja值也会改变,芯片厂家在测试Θja时和我们实际使用情况有较大差别,所以用来计算结温,误差会很大。

热阻Θja和这些参数有强相关性

同时使用Tj=Tc+Θjc*Pd这个公式,用红外摄像机测量出芯片外壳温度Tc,然后算出Tj也是不太准确的。 厂家给出Θja和Θjc可能更多是让我们评估芯片的热性能如何,用于和其他芯片比较。

在某些芯片的参数中,会有ΨJT和ΨJB,这两个参数不是真正的热阻,芯片厂家在测试ΨJT和ΨJB的方法非常接近实际器件的应用环境,所以可以用它来估算结温,也被业界所采用,而且可以看出,这两个参数是要比Θja和Θjc要小的,所以在同样的功耗下,用Θja计算得出的结温是比实际的温度要偏大的。

ΨJT,指的是Junction to Top of Package,结到封装外壳的参数,计算公式为Tj=Tc+ΨJT*Pd,Tc为芯片外壳温度。ΨJB,指的是Junction to Board,结到PCB板的参数,计算公式为:Tj=Tb+ΨJB*Pd,Tb为PCB板的温度。

ΨJT和ΨJB可被用来计算结温

热设计

热设计和EMC问题一样,最好在前期就解决掉,不然后期整改很麻烦。设计前期考虑结构、PCB堆叠、布局、摆件等,后期考虑散热材料等方式。


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