MID热分析.docx

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MID热分析

MID热分析

一、热量的三种传递方式：

导热，对流换热及辐射换热。

在散热过程中，这三种方式都有发生。

1、导热

物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量称为导热。

例如，固体内部的热量传递和不同固体通过接触面的热量传递都是导热现象。

芯片向壳体外部传递热量主要就是通过导热。

导热系数表示该材料导热能力的大小。

一般说，固体的导热系数大于液体，液体的大于气体。

例如常温下纯铜的导热系数高达400W/（m*℃），纯铝的导热系数为236W/（m*℃），水的导热系数为0.6W/（m*℃），而空气仅0.025W/（m*℃）左右。

铝的导热系数高且密度低，所以散热器基本都采用铝合金加工，但在一些大功率芯片散热中，为了提升散热性能，常采用铝散热器嵌铜块或者铜散热器。

2、对流换热

对流换热是指运动着的流体流经温度与之不同的固体表面时与固体表面之间发生的热量交换过程，这是通信设备散热中中应用最广的一种换热方式。

根据流动的起因不同，对流换热可以分为强制对流换热和自然对流换热两类。

前者是由于泵、风机或其他外部动力源所造成的，而后者通常是由于流体自身温度场的不均匀性造成不均匀的密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。

机柜中通常采用的风扇冷却散热就是最典型的强制对流换热。

在终端产品中主要是自然对流换热。

自然对流散热分为大空间自然对流（例如终端外壳和外界空气间的换热）和有限空间自然对流（例如终端内的平台和终端内的空气）。

值得注意的是，当终端外壳与平台的距离小于一定值时，就无法形成自然对流，例如手机的平台与外壳之间就只是以空气为介质的热传导。

自然对流时换热系数在1～10W/（℃*m2）量级，实际应用时一般不会超过3～5W/（℃*m2）；强制对流时换热系数在10～100W/（℃*m2）量级，实际应用时一般不会超过30W/（℃*m2）。

3、热辐射

辐射是通过电磁波来传递能量的过程，热辐射是由于物体的温度高于绝对零度时发出电磁波的过程，两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。

物体表面之间的热辐射计算是极为复杂的，其中最简单的两个面积相同且正对着的表面间的辐射换热量计算公式为：

Q＝A*5.67e-8/（1/εh+1/εc-1）*（Th4-Tc4）

公式中T指的是物体的绝对温度值＝摄氏温度值＋273.15；ε是表面的黑度或发射率，该值取决于物质种类，表面温度和表面状况，与外界条件无关，也与颜色无关。

磨光的铝表面的黑度为0.04,氧化的铝表面的黑度为0.3，油漆表面的黑度达到0.8，雪的黑度为0.8。

由于辐射换热不是线性关系，当环境温度升高时，终端的温度与环境的相同温差条件下会散去更多的热量。

塑料外壳表面喷漆，PCB表面会涂敷绿油，表面黑度都可以达到0.8，这些都有利于辐射散热。

对于金属外壳，可以进行一些表面处理来提高黑度，强化散热。

对辐射散热一个最大错误认识是认为黑色可以强化热辐射，通常散热器表面黑色处理也助长了这种认识。

实际上物体温度低于1800℃时，有意义的热辐射波长位于0.38~100μm之间，且大部分能量位于红外波段0.76~20μm范围内，在可见光波段内，热辐射能量比重并不大。

颜色只与可见光吸收相关，与红外辐射无关，夏天人们穿浅色的衣服降低太阳光中的可见光辐射吸收。

因此平台内部可以随意涂敷各种颜色的漆。

二、热阻的概念

对导热和对流换热的公式进行变换：

Fourier导热公式：

Q=λA（Th-Tc）/δ

Q=（Th－Tc）/[δ/（λA）]

Newton对流换热公式：

Q=αA（Tw-Tair）

Q=（Tw-Tair）/（1/αA）

热量传递过程中，温度差是过程的动力，好象电学中的电压，换热量是被传递的量，好像电学中的电流，因而上式中的分母可以用电学中的电阻概念来理解成导热过程的阻力，称为热阻（thermalresistance），单位为℃/W,其物理意义就是传递1W的热量需要多少度温差。

在热设计中将热阻标记为R或θ。

δ/（λA）是导热热阻，1/αA是对流换热热阻。

器件的资料中一般都会提供器件的Rjc和Rja热阻，Rjc是器件的结到壳的导热热阻；Rja是器件的结到壳导热热阻和壳与外界环境的对流换热热阻之和。

这些热阻参数可以根据实验测试获得，也可以根据详细的器件内部结构计算得到。

根据这些热阻参数和器件的热耗，就可以计算得到器件的结温。

三、接触热阻

两个名义上相接触的固体表面，实际上接触仅发生在一些离散的面积元上，如下图所示，在未接触的界面之间的间隙中常充满了空气，热量将以导热和辐射的方式穿过该间隙层，

与理想中真正完全接触相比，这种附加的热传递阻力称为接触热阻。

降低接触热阻的方法主要是增加接触压力和增加界面材料（如硅脂）填充界面间的空气。

在涉及热传导时，一定不

能忽视接触热阻的影响，需要根据应用情况选择合适的导热界面材料，如导热脂、导热膜、导热垫等。

四、导热材料分类：

根据界面导热材料的特点，可以大致分为以下几类：

各种材料热传导系数如下比较:

热传导系数的单位为W/mK:

即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文（1K＝1℃）时的热传导功率.

常见填缝导热材料:

导热硅胶片、导热硅脂、导热云母片、导热陶瓷片、导热矽胶片、导热双面胶等。

主要作用是填充发热功率器件与散热片之间的缝隙，通常看似很平的两个面,其实接触面积不到40%,又因为空气是不良导热体，导热系数仅有0.03w/m.k,填充缝隙就是用导热材料填充缝隙间的空气.

导热硅胶片：

导热双面胶：

导热陶瓷片：

导热矽胶布：

表面光滑柔软，致密性好，应用时可采用螺钉或其他扣具固定，亦可使用背胶，在较小的压力下，可获得较低的热阻。

导热硅脂：

导热石墨片：

导热硅胶片的性能优点

相对于导热硅脂和导热双面胶有以下优势：

*导热系数的范围宽以及稳定度高

*结构上工艺工差的弥合,降低散热器和散热结构件的工艺工差要求

*EMC，绝缘的性能

*减震吸音的效果

*安装，测试，可重复使用的便捷性

导热硅橡胶（0.8W/KM~3W/KM）的应用：

用于当半导体器件与散热表面之间有较大间隙需要填充，或几个芯片要同时要共用散热器或散热底盘时，但间隙不一样的场合，或加工公差加大的场合，表面粗糙度较大的场合。

，

同时由于导热垫的弹性，使导热垫能减振，防止冲击，且便于安装和拆卸。

※散热片和CPU的表面看起来挺平整光滑，其实用放大镜看，可以看到许多坑坑洼洼凹进去的条纹和不规则坑道，导致接触面中间有许多缝隙，这些缝隙非常阻碍散热，导热硅脂是液体，导热硅胶片软性可压缩导热胶片能够填满这些缝隙，改良了散热面的接触，使散热效果比没有导热硅好。

五、影响BGARjc和Rja热阻的因素

从重要程度看依次是：

1）thermalball的个数

2）die的尺寸

3）substrate的结构，包括铜皮层数，铜皮厚度

4）dieattachment材料的导热系数

5）goldwire的直径

6）PCB上导热过孔的数量。

其中，前5个因素与IC本身的设计相关，因素6与PCB设计相关

六、MID平台温度要求

1.大部分客户要求MID平台整机最高温度不超过45度。

2.CPU温度需在90度以下，否则antutu等易死机。

七、平台散热措施

MID发热较大器件有CPU,PMU,DDR.，主要为CPU。

可从以下方面降温

1）、PCB布局方面

a）发热器件应尽可能分散布置，使得平台内部热耗均匀分布。

b）不要使热敏感器件或功耗大的器件彼此靠近放置，使得热敏感器件远离高温发热器件，常见的热敏感的器件包括晶振、内存、CPU等。

c）在CPU&PMU下方周边尽量多安放金属化过孔，依靠过孔将器件热量传导给其它层，帮助散热。

Note：

真正起到散热作用的只有器件PAD底部的过孔和器件接地管脚旁边的过孔，这部分过孔的设计就非常重要，散热最优的过孔设计方案为：

孔径10～12mil，孔中心间距30～40mil，也可以根据器件的热耗水平和温度控制要求对过孔数量进行优化.

d）CPU等大热器件周边可增加大面积裸铜，有助散热。

e）充分利用panel金属后壳散热，CPU下方&附近裸铜，通过填充导热介质连接到panel金属壳。

f）结构上考虑气流通路顺畅，CPU&PMU等能落在气流通路上。

2）、选择散热片

利用散热片将热量均匀散布起到降温作用。

可使用石墨散热片或填缝导热材料+金属片。

填缝导热材料一般选用导热绝缘硅橡胶片或涂导热膏（较贵&绝缘性不好&不易安装）等；选择导热材料需关注接触热阻（微小间隙填充能力）、材料导热性能（热阻&热导系数）以及实际使用条件。

散热器表面应平整光洁。

注意点：

a.同样的材料，导热率是一个不变的数值，热阻值是会随厚度发生变化的。

b.同样的材料，厚度越大，可简单理解为热量通过材料传递出去要走的路程越多，所耗

的时间也越多，效能也越差。

c.对于导热材料，选用合适的导热率、厚度是对性能有很大关系的。

选择导热率很高的

材料，但是厚度很大，也是性能不够好的。

最理想的选择是：

导热率高、厚度薄，完美

的接触压力保证最好的界面接触。

d、使用什么导热材料给客户，理论上来讲是很困难的一件事情。

很难真正的通过一些简

单的数据，来准确计算出选用何种材料合适。

更多的是靠测试和对比，还有经验。

测试

能达到产品要求的理想效果，就是最为合适的材料。

e、不专业的用户，会关注材料的导热率；专业的用户，会关注材料的热阻值。

3）、软件优化

降低CPU工作频率或根据CPU自检温度自适应设置最高频率。

频率作假也是一种选择。

适当降低VCCK电压。

软件其他方面优化。

4）、其他

1）降低平台工作时的充电电流。

2）优化器件，选择高效率的DCDC,大电流通道选择低内阻的电感&mos,低压降二极管。

八、温度测试工具

1.温度表：

注意保证触点良好接触

2.温度枪：

注意靠近测量，以探测窗为准，要翻查自动记录的max值；

注意只能测一般物体，不能测金属，玻璃，液体等反射环境红外线的物体

3.红外成像仪

注意只能测一般物体，不能测金属，玻璃，液体等反射环境红外线的物体

注意需要对焦（调焦，或者放在测试台上调节高度），出现白点，能清晰看到板上的器件边沿，表示对焦良好.