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1、芯片電路熱設(shè)計指南????半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的熱量來源于芯片的功耗，熱量的累積必定導(dǎo)致半導(dǎo)體結(jié)點溫度的升高，隨著結(jié)點溫度的提高，半導(dǎo)體器件性能將會下降，因此芯片廠家都有規(guī)定半導(dǎo)體器件的結(jié)點溫度。在普通數(shù)字電路中，由于低速電路的功耗較小，在正常的散熱條件下，芯片的溫升不會太大，所以不用考慮芯片的散熱問題。而在高速電路中，芯片的功耗較大，在正常條件下的散熱不能保證芯片的結(jié)點溫度不超過允許工作溫度，因此需要考慮芯片的散熱問題。1、熱量傳遞????在通常條件下，熱量的傳遞通過傳導(dǎo)、對流、輻射3種方式進行。傳導(dǎo)是通過物體的接觸，將熱流從高溫向低溫傳遞，導(dǎo)熱
2、率越好的物體則導(dǎo)熱性能越好，一般來說金屬導(dǎo)熱性能最好；對流是通過物體的流動將熱流帶走，液體和氣體的流速越快，則帶走的熱量越多；輻射不需要具體的中間媒介，直接將熱量發(fā)送出去，真空中效果更好。????散熱時需要考慮3種傳熱方式。例如使用導(dǎo)熱率好的材料，如銅、鋁及其合金做導(dǎo)熱材料，通過增加風(fēng)扇來加強對流，通過材料處理來增強輻射能力等。2、簡單熱量傳遞模型????熱量分析中引入一個熱阻參數(shù)，類似于電路中的電阻。如果電路中的電阻計算公式為R=ΔE/I，則對應(yīng)的熱阻對應(yīng)公式為R=ΔT/P（P表示功耗，單位W,ΔT表示溫差，單位℃）。熱阻的單位為℃/W，表
3、示功率增加1W時所引起的溫升。????考慮集成芯片的熱量傳遞，可以使用如下圖形描述???高速電路設(shè)計中的散熱考慮在普通的數(shù)字電路設(shè)計中，我們很少考慮到集成電路的散熱，因為低速芯片的功耗一般很小，在正常的自然散熱條件下，芯片的溫升不會太大。隨著芯片速率的不斷提高，單個芯片的功耗也逐漸變大，例如：Ｉｎｔｅｌ的奔騰ＣＰＵ的功耗可達到25W。當(dāng)自然條件的散熱已經(jīng)不能使芯片的溫升控制在要求的指標(biāo)之下時，就需要使用適當(dāng)?shù)纳岽胧﹣砑涌煨酒砻鏌岬尼尫?，使芯片工作在正常溫度范圍之?nèi)。???通常條件下，熱量的傳遞包括三種方式：傳導(dǎo)、對流和輻射。傳導(dǎo)是指直接接
4、觸的物體之間熱量由溫度高的一方向溫度較低的一方的傳遞，對流是借助流體的流動傳遞熱量，而輻射無需借助任何媒介，是發(fā)熱體直接向周圍空間釋放熱量。???在實際應(yīng)用中，散熱的措施有散熱器和風(fēng)扇兩種方式或者二者的同時使用。散熱器通過和芯片表面的緊密接觸使芯片的熱量傳導(dǎo)到散熱器，散熱器通常是一塊帶有很多葉片的熱的良導(dǎo)體，它的充分擴展的表面使熱的輻射大大增加，同時流通的空氣也能帶走更大的熱能。風(fēng)扇的使用也分為兩種形式，一種是直接安裝在散熱器表面，另一種是安裝在機箱和機架上，提高整個空間的空氣流速。與電路計算中最基本的歐姆定律類似，散熱的計算有一個最基本的公
5、式：?????????????????溫差=熱阻×功耗???在使用散熱器的情況下，散熱器與周圍空氣之間的熱釋放的"阻力"稱為熱阻，散熱器與空氣之間"熱流"的大小用芯片的功耗來代表，這樣熱流由散熱器流向空氣時由于熱阻的存在，在散熱器和空氣之間就產(chǎn)生了一定的溫差，就像電流流過電阻會產(chǎn)生電壓降一樣。同樣，散熱器與芯片表面之間也會存在一定的熱阻。熱阻的單位為℃/W。選擇散熱器時，除了機械尺寸的考慮之外，最重要的參數(shù)就是散熱器的熱阻。熱阻越小，散熱器的散熱能力越強。下面舉一個電路設(shè)計中熱阻的計算的例子來說明：??????設(shè)計要求：芯片功耗：20瓦???
6、???芯片表面不能超過的最高溫度：85℃??????環(huán)境溫度（最高）：55℃計算所需散熱器的熱阻。實際散熱器與芯片之間的熱阻很小，取01℃/W作為近似。則?????（R+0.1）×20W=85℃-55℃???????得到R=1.4℃/W只有當(dāng)選擇的散熱器的熱阻小于1.4℃/W時才能保證芯片表面溫度不會超過85℃。???使用風(fēng)扇能帶走散熱器表面大量的熱量，降低散熱器與空氣的溫差，使散熱器與空氣之間的熱阻減小。因此散熱器的熱阻參數(shù)通常用一張表來表示。如下例： 風(fēng)速（英尺/秒）?熱阻（℃/W）03.51002.82002.33002.04001.8
7、?芯片熱設(shè)計(與散熱設(shè)計相關(guān)的幾個重要的參數(shù)以及如果通過節(jié)點溫度來判斷芯片的溫度過高)??????隨著芯片的集成度、功率密度的日愈提高，芯片的溫度越來越成為系統(tǒng)穩(wěn)定工作、性能提升的絆腳石。必須充分考慮產(chǎn)品的穩(wěn)定性、工作壽命，環(huán)境適應(yīng)能力等等。而這些都和溫度有著直接或間接的關(guān)系。數(shù)據(jù)顯示，45%的電子產(chǎn)品損壞是由于溫度過高。可見散熱設(shè)計的重要性。本文主要針對芯片的熱設(shè)計做簡要闡述，希望對您的設(shè)計可以起到指導(dǎo)作用。????芯片廠家提供的芯片Datasheet是我們判斷的基礎(chǔ)依據(jù)，所以如何理解Datasheet的相關(guān)參數(shù)將是我們進行判斷的第一步。下
8、面將對Datasheet中常用的熱參數(shù)逐一說明。一、Datasheet中和散熱有關(guān)的幾個重要參數(shù)????P--芯片功耗，單位W（瓦）。功耗是熱量產(chǎn)生的直接原因。功耗
