我把芯片干烧掉了？

EDN电子技术设计 昨天

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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。

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开盖后的酷睿i9-9900K上的硅脂散热材料

▉ 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。

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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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