散热片计算方法

征热传导过程的物理量

在图3的导热模型中,达到热平衡后,热传导遵循傅立叶传热定律:

Q=K·A·(T1-T2)/L (1)

式中:Q为传导热量(W);K为导热系数(W/m℃);A 为传热面积(m2);L为导热长度(m).(T1-T2)为温度差.

热阻R表示单位面积、单位厚度的材料阻止热量流动的能力,表示为:

R＝(T1-T2)/Q＝L/K·A (2)

对于单一均质材料,材料的热阻与材料的厚度成正比;对于非单一材料,总的趋势是材料的热阻随材料的厚度增加而增大,但不是纯粹的线形关系.

对于界面材料,用特定装配条件下的热阻抗来表征界面材料导热性能的好坏更合适,热阻抗定义为其导热面积与接触表面间的接触热阻的乘积,表示如下:

Z＝(T1-T2)/(Q/A)＝R·A (3)

表面平整度、紧固压力、材料厚度和压缩模量将对接触热阻产生影响,而这些因素又与实际应用条件有关,所以界面材料的热阻抗也将取决于实际装配条件.导热系数指物体在单位长度上产生1℃的温度差时所需要的热功率,是衡量固体热传导效率的固有参数,与材料的外在形态和热传导过程无关,而热阻和热阻抗是衡量过程传热能力的物理量.

芯片工作温度的计算

如图4的热传导过程中,总热阻R为:

R=R1+R2+R3 (4)

式中:R1为芯片的热阻;R2为导热材料的热阻;R3为散热器的热阻.导热材料的热阻R2为:

R2＝Z/A (5)

式中:Z为导热材料的热阻抗,A为传热面积.芯片的工作温度T2为:

T2＝T1+P×R (6)

式中:T1为空气温度;P为芯片的发热功率;R为热传导过程的总热阻.芯片的热阻和功率可以从芯片和散热器的技术规格中获得,散热器的热阻可以从散热器的技术规格中得到,从而可以计算出芯片的工作温度T2.

实例

下面通过一个实例来计算芯片的工作温度.芯片的热阻为1.75℃/W,功率为5W,最高工作温度为90℃,散热器热阻为1.5℃/W,导热材料的热阻抗Z为5.8℃cm2/W,导热材料的传热面积为5cm2,周围环境温度为50℃.导热材料理论热阻R4为:

R4＝Z/A＝5.8 (℃·cm2/W)/ 5(cm2)=1.16℃/W (7)

由于导热材料同芯片和散热器之间不可能达到100%的结合,会存在一些空气间隙,因此导热材料的实际热阻要大于理论热阻.假定导热材料同芯片和散热器之间的结合面积为总面积的60%,则实际热阻R3为:

R3＝R4/60%＝1.93℃/W (8)

总热阻R为:

R=R1+R2+R3=5.18℃/W (9)

芯片的工作温度T2为:

T2＝T1+P×R＝50℃+(5W× 5.18℃/W)＝75.9℃(10)

可见,芯片的实际工作温度75.9℃小于芯片的最高工作温度90℃,处于安全工作状态.

如果芯片的实际工作温度大于最高工作温度,那就需要重新选择散热性能更好的散热器,增加散热面积,或者选择导热效果更优异的导热材料,提高整体散热效果,从而保持芯片的实际工作温度在允许范围以内(作者:方科)转载