从零开始学散热

陈继良

热设计的意义

温度的影响

• LED温度敏感性强
  • 温度浮动导致光输出的变化和发光峰值波长的漂移
  • 结温上升影响光输出效率（同样亮度，产热更多）
  • 温度上升，光质量控制能耗上升
• 温度对电子产品影响
  • 运行寿命
    • 芯片温度每上升10度，运行寿命减半
      • 正常工作温度内
      • 70-140度，寿命减少更快
  • 能源效率
  • 性能稳定性

温度对芯片的影响原理

• 硅芯片由多种材料制成，不同材料热膨胀系数不同。温度变化导致芯片内部不同材料间存在相互作用力，长时间积累造成断裂。（类似金属疲劳？）
• 液态器件（电解电容）
  • 温度升高，密封材料性能下降；水汽进入产生反应，增大爆炸风险；高温下电解液沸腾，压力超过外壳承受能力，嘭
• 腐蚀
  • 芯片运行产生电场，和空气水分、盐分一同诱发电化学反应；温度越高，反应越快（指数级）
• 氧化物分解
  • 良好环境下，氧化物分解，电气性能改变
  • 反应速度和温度呈现指数关系
• 芯片功耗
  • 分类
    • 动态功耗
      • 电容充放电
        • 网络电容
        • 输入负载
      • P/N MOS 同时打开产生的瞬时短路电流
    • 静态功耗
      • 逻辑门没有翻转时的能量损耗
        • P(static) = V(dd)I(leakage)
  • 随芯片制程减小，动态功耗下降，静态功耗上升
  • 静态功耗随温度上升而指数上升

电气性能变化

• 芯片运行最优温度只位于一个点或一小段温度区间

解决芯片热可靠性

• 内：优化芯片封装材料和制造工艺（芯片封装热设计）
• 外：增加散热器（产品系统热设计）

热设计方案特征

1. 产品热安全
2. 低成本
3. 可维护性
4. 稳定性
5. 异常检出
6. 外观
7. 噪音控制（风冷）
8. 优秀的工况适应性和异常情景反应策略（这句没看懂）
9. 节能环保