如何保持低溫：散熱片挑選與應用的基本知識

絕大多數電子元件的尺寸持續縮小，尤其是微處理器及微控制器，因此造成熱流密度提高。此演變的結果就是散熱設計與管理已成為重大的設計考量，如同預期壽命、可靠度與效能一樣，都與裝置的工作溫度息息相關。因此，設計人員有責清楚瞭解有效的熱管理及可用的散熱片解決方案，讓裝置的工作溫度維持在供應商設定的限值內。

散熱片的運作方式是將裝置暴露在冷卻劑 (空氣) 中的表面積增加。若有正確安裝，散熱片可橫跨固體對氣體的邊界，改善熱傳遞到較低溫環境空氣的效果，藉此降低裝置的溫度。

本文將概述散熱片的挑選過程，並針對正確設計、元件挑選以及最佳實務提供指引，以達到優異的散熱效能。本文將使用 Ohmite 的散熱片解決方案當作實際範例。

熱迴路

功率會從積體電路 (IC) 內作用的電晶體接面以熱能的形式耗散，接面的溫度會與耗散的功率成比例。製造商會指明最大接面溫度，通常是在 150°C 左右。超過此接面溫度，通常會導致裝置受損，因此設計人員必須想方設法，盡可能將 IC 上更多的熱能帶走。為了達到此目標，可依靠一個相當簡單的模型來測量熱能的流動 (類似於電氣計算的歐姆定律)，其依據熱阻概念為基礎，以 θ 符號表示 (圖 1)。

圖 1：IC 搭配散熱片時的熱迴路模型是以熱阻概念為基礎，以 θ 符號表示。(圖片來源：DigiKey)

熱阻是指熱能從一個媒介流動到另一個時所遭遇的阻礙。其測量單位是每瓦攝氏溫度 (°C/W)，定義如下：

方程式 1

其中：

θ 是橫跨熱阻障的熱阻，單位為 °C/W。

∆T 是橫跨熱阻障的溫度差異，單位為 °C。

P 是接面耗散的功率，單位為 W。

端視 IC 與散熱片上的實體排列，可看到不少熱介面。第一個介於接面與 IC 外殼之間，在模型中以熱阻 θ_jc 表示。

散熱片會使用散熱膏或散熱膠帶作為熱介面材料 (TIM) 固定在 IC 上，藉此增強兩個元件之間的導熱性。這一層的熱阻通常較低，在模型中以外殼對散熱片熱阻 θ_cs 表示。最後一個階段是散熱片對環境的介面，以 θ_sa 表示。

熱阻會串聯增加，如同電路中的電阻一樣。所有熱阻加總後就是接面到環境空氣之間的總熱阻。

IC 供應商通常會暗示或明示指出接面對外殼的熱阻。此規格可能會以外殼最高溫度表示，省略其中一個熱阻要素。使用 IC 的設計人員無法控制接面對外殼的熱阻特性。但設計人員可以挑選 TIM 與必要的散熱片特性，以充分讓 IC 散熱，將接面溫度維持在指定的最高溫度以下。一般來說，TIM 與散熱片的熱阻越低，接受散熱的 IC 外殼溫度就會更低。

散熱片選擇範例

Ohmite 提供BG 系列散熱片，可搭配球柵陣列封裝 (BGA) 或塑膠球柵陣列封裝 (PBGA) 的中央處理單元 (CPU)、繪圖處理單元 (GPU)，或類似的處理器搭配方形封裝覆蓋區。

圖 2：BG 系列散熱片非常適合 BGA 封裝 IC，包括 CPU、GPU 及其他搭配類似方形覆蓋區的產品。(圖片來源： Ohmite)

此系列有十款散熱片設計，提供匹配通用 IC 配置的多種覆蓋區，從 15 x 15 mm 到 45 x 45 mm 都有，鰭片面積介於 2,060 至 10,893 mm² (表 1)。這些散熱片符合 RoHS 指令，以黑色陽極 6063-T5 鋁合金製成。

表 1：BG 系列的鰭片面積介於 2,060 至 20,893 mm²。(表格來源：DigiKey)

表中的熱阻值適用於自然對流散熱。使用風扇進行強制對流可降低熱阻，且與散熱空氣的流速成比例。強制空氣散熱能以 2:1 或 3:1 的比例降低熱阻。

圖 3：Ohmite BG 系列散熱片在強制空氣散熱下的散熱效能。(圖片來源：Ohmite)

熱介面材料

以 Ohmite 的 BG 系列為例，IC 外殼與散熱片之間所用的熱介面材料是散熱片隨附的雙面散熱膠帶。使用雙面膠帶可以簡化安裝作業，因為膠帶無需任何機械化設計或製造。

TIM 的規格通常是以導熱性為準，單位為 W/m°C 或 W/m°K。TIM 層的熱阻視膠帶的厚度以及其所黏貼的覆蓋面積而定。熱阻可使用以下方程式計算：

 方程式 2

其中：

厚度以公尺 (m) 為單位。

面積以平方公尺 (m²) 為單位。

導熱性以 W/m°C 或 W/m°K 為單位。

攝氏與凱氏溫度可互換，因為都採用相同的溫度測量單位增量，而且計算的是溫差 (如 10°C 的溫度變化等同於 10°K 的溫度變化)。

以 Ohmite 的 BGAH150-075E 15 x 15 x 7.5 mm 散熱片 (固定在 15 x 15 mm 裝置上) 為例，TIM 的面積為 225 mm² (225 E^-6 m²)。隨附散熱膠帶的厚度為 0.009 in 或 0.23 mm (0.00023 m)。指定的導熱性為 1.4 W/m°K。在方程式 2 中使用這些值可得到：

 方程式 3

TIM 的熱阻通常會比散熱片的熱阻還小，若散熱片的覆蓋面積越大，熱阻也會跟著降低。

在此舉例說明，為了讓 IC 維持在溫度限值內，要決定散熱片所需具備的最小熱阻，需從 IC 本身開始。以最大外殼溫度指定為 85°C 的 15 x 15 mm IC 為例，在環境溫度為 45°C 且在機殼內工作時，正常操作下會耗散 2 W。

要判定處理器的功率耗散並不容易，因為工作模式相當多樣。有些製造商會試著簡化此作業，方法是指定散熱設計功率 (TDP)。TDP 是指在「實際應用」中運作時所耗散的功率。有關此額定值的適用性有不少討論，因為需視應用而定。此外，也可參照各個 CPU 電源電壓的電源供應器電流需求，藉此判定最大功率耗散。此值可能比 TDP 所述的耗散更高。設計人員應考量供應商的技術資料，來判定 IC 標稱功率耗散的最佳估計值。

回到範例，所需散熱片與 TIM 的最小熱阻 (θ) 可透過方程式 4 判定：

 方程式 4

Ohmite 的 BGAH150-075E 具有 18°C/W 的熱阻；再加上 TIM 的熱阻 0.73°C/W，因此總熱阻為 18.73°C/W。這比計算的最小熱阻還低，且可正常運作。若挑選此散熱片，依據方程式 1 且將環境溫度維持恆定下進行逆向計算，預估的最大外殼溫度就會是 82.5°C。

可挑選 15 x 15 x 12.5 mm 的 Ohmite BGAH150-125E 作為替代散熱片，且鰭片高度較高，因此具有更大的表面積，進而可將散熱片與 TIM 的總熱阻降低至 11°C/W。如此即可以相同的成本將外殼溫度降低至 67°C 左右，並可提供更大的溫度餘裕。

其他要考量的事項包括散熱片的可用空間或是是否需要散熱風扇等。

結論

從散熱角度來看，挑選散熱片是相對直覺的工作。如本文所述，Ohmite 的 BG 系列散熱片提供可行的解決方案，可因應 BGA 封裝 IC 的散熱問題。