探究芯片環境溫度及芯片殼體溫度值?

湯 恒 夏 兵 易艷春

（1.第七二二研究所武漢邁力特通信有限公司 武漢 430035）（2.湖北師范大學 黃石 435002）

電子產品熱設計工程師在確定其熱設計方案是否合理時，一個關鍵的判決因素就是芯片所處的殼溫和結溫是否超過芯片制造商提供的Tc值及Tj值（及硅核結溫）。純自行理論計算，設計者對計算結果的偏差值很難準確把握，所以計算結果往往偏差較大。熱力學研究人員，繪制了溫升圖或表，供設計人員使用，但此類圖表僅能得出結構箱體內空氣大致溫度，不能提供設計者所需的溫度分布圖，也就不能查出芯片Tc值及Tj值。對機箱內進行溫度測試，須等樣機出來后方可進行，只能對熱設計結果進行測試驗證，設計者再根據驗證結果對熱設計方案進行修正優化。

有人錯誤地認為，芯片表面或芯片所附散熱器表面的溫度與芯片周圍附近的環境溫度相同，從而得出錯誤或不準確的熱設計結論。此觀點的錯誤之處在于：忽略了周圍空氣與芯片間的熱邊界層（亦稱溫度邊界層）對溫度的影響。根據流體力學與傳熱學理論，熱邊界層內溫度梯度往往較大，是影響芯片散熱的重要因素。

軟件仿真模擬，是電子產品熱設計領域近十幾年來逐漸興起的一種熱設計手段，準確提供熱源數值及分布、傳熱系數、材料特性、幾何形狀、幾何尺寸及環境條件后，經過模擬后，計算機會顯示出箱體內的熱分布圖（即云圖），但要從熱分布圖中提煉出符合傳熱學理論的芯片Tc值及Ta值，對普通熱設計者也是一個不小的挑戰。

知曉了芯片的工作溫度，就可通過計算或軟件仿真獲得芯片的Tc值及Tj值，通過得到的Tc值及Tj值，就可知曉熱設計方案是否合理。

以下從流體邊界層、芯片工作溫度（環境溫度）、通過軟件仿真［1］獲取Ta及Tc值等方面，介紹如何正確獲取芯片Tc值的方法，然后舉例實測驗證。

2 邊界層

2.1 邊界層簡介

在1904年海德爾堡（Heidelberg）數學討論會上宣讀的論文《具有很小摩擦的流體運動》中，普朗特指出：有可能精確地分析一些很重要的實際問題中所出現的粘性流動。借助于理論研究和幾個簡單的實驗，他證明了繞固體的流動可以分成兩個區域：一是固體附近很薄的一層（邊界層），其中摩擦起著主要的作用；二是該層以外的其余區域，這里摩擦可以忽略不計?；谶@個假設，普朗特成功地對粘性流動的重要意義給出了物理上透徹的解釋，同時對相應的數學上的困難做了最大程度的簡化。甚至在當時，這些理論上的論點就得到一些簡單實驗的支持，這些實驗是在普朗特親手建造的水洞中做的。因此他在重新統一理論和實踐方面邁出了第一步。邊界層理論在為發展流體動力學提供一個有效的工具方面證明是極其有成效的。自20世紀以來，在新近發展起來的空氣動力學這門學科的推動下，邊界層理論已經得到了迅速的發展。在一個很短的時間內，它與其他非常重要的進展（機翼理論和氣體動力學）一起，已成為現代流體力學的基石之一。

2.2 熱邊界層

粘性很?。╯mall viscosity）的空氣流過散熱器或芯片壁面（即表面），在粘性摩擦力作用下，靠近壁面的薄層空氣，其速度將會被減小。緊貼壁面的空氣會粘附在壁面上，與壁面的相對速度等于零，空氣以層流狀態流過壁面。由壁面垂直向外（如圖1中的+Y軸方向），從Y=0開始，隨著Y值的增加，空氣的流動速度也會隨著增加，直至與空氣的流入速度相等。壁面的摩擦力：通過粘性向流體內部傳遞，使壁面附近流體速度遠遠小于來流速度。離開壁面距離的增加：壁面的阻滯作用減弱，空氣流動的速度逐漸恢復［2～3］。

流體研究者把從壁面垂直向外的這一空氣減速薄層稱作空氣邊界層，此處我們稱之為芯片空氣邊界層。圖1是平行與壁面的芯片空氣邊界層示意圖。邊界層內從壁面（此處速度為零）開始，沿法線方向至速度與當地自由流速度V相等（嚴格地說是等于0.990V或0.995V）的位置之間的距離，記為δ。

圖1 層流狀態芯片空氣邊界層示意圖

圖2 空氣邊界層厚度

熱邊界層厚度與芯片或散熱器壁面尺寸相比，熱邊界層厚度是一個較小的數量值，圖2表示的是空氣邊界層厚度、空氣流速及壁面長度的關系。

3 芯片表面熱量轉移

芯片空氣邊界層是對流傳熱過程中產生熱阻的最主要區域。在此區域之外，溫度梯度和熱阻都可忽略。因此，關于芯片對流傳熱的探究，僅限于芯片溫度邊界層范圍之內［4］。

熱量從散熱器表面傳遞到熱邊界層空氣中的轉移率，取決于散熱器表面的溫度與熱邊界層外的空氣溫度的差值。差值越大，熱量轉移率越高；反之，熱量轉移率越低。假定芯片及其散熱器周圍對流流動的空氣溫度為Ta，對應于芯片廠家提供的工作溫度，即環境溫度。由于散熱器自身熱阻、以及散熱器與芯片殼體間熱阻均較小，可假定芯片殼體附近散熱器表面的溫度與芯片殼體溫度Tc相同。在空氣流過散熱器及芯片表面過程中［5］，隨著圖3y值的增加，空氣流動速度從趨近于0開始，逐步增加到對流空氣的最大速度；在熱邊界層厚度內，溫度從Tc下降到Ta，如圖3所示。熱邊界層的存在，導致ΔT=Tc-Ta的存在，而ΔT＞0，所以 Tc＞Ta，也就不可能出現Tc=Ta的情況。

由于散熱器表面熱邊界層的存在，以及箱體內對流的條件，決定了Tc不可能與周圍空氣Ta相等。因此，要完整驗證芯片熱設計結果，既要測試散熱器（或芯片）表面殼體的溫度，又要測試其周圍的空氣溫度（即芯片生產商提供的工作溫度Ta）。

圖3 芯片熱量轉移示意圖

圖4 芯片散熱模型

4 芯片散熱模型及示例

圖4中的模型，表示了熱源從芯片硅核通過芯片封裝殼、導熱填充料、散熱器，最后散發到空氣中的轉移過程［6～10］。

依據此散熱模型，以某廠家芯片為例，進一步說明Tc＞Ta的情況。表1為該芯片的部分熱參數值。

例如，該廠家推薦給該芯片使用高度為20mm的散熱器，其具體型號是UB35-20B。通過分析，芯片結溫低于100℃，可允許芯片周圍的空氣溫度超過65℃。反之亦然，我們通過給定的Ta及對應的其它具體條件，我們可以計算出芯片的結溫，從而判斷芯片是否能夠穩定工作。

4.1 軟件仿真［11～12］

4.1.1 軟件簡介［13］

ICEPAK是ANSYS系列軟件中針對電子行業的散熱仿真優化分析軟件，目前在全球擁有較高的市場占有率，電子行業涉及的散熱、流體等相關工程問題，均可使用ANSYSICEPAK進行求解模擬計算，如強迫風冷、自然冷卻、PCB各向異性導熱率計算、熱管數值模擬等工程問題［14］。

4.1.2 熱模型的建立及網格劃分

參照上述該芯片散熱模型，建立其熱仿真模型，采用連續的非結構化網格進行區域劃分，芯片位于散熱器下方，芯片焊接于PCB上，如下圖所示。

圖5 模型圖

圖6 溫度顯示云圖

4.1.3 求解參數設置

參照上述芯片熱參數表，進行仿真參數設置，具體參數設置如下：

表2 仿真參數表

4.1.4 數值仿真模擬結果

求解結果如圖6。

通過芯片封裝殼體表面的中心點作一條法線，其對應溫度曲線如圖7所示。

圖7 芯片殼體法線方向溫度梯度變化曲線

由圖通過仿真軟件可讀得：Tc=82.3℃、Ts=81.3℃、Ta=65℃，其中Ts是散熱器表面溫度。仿真結果，Tc與Ta間的差值是：

Tc-Ta=82.3-65=17.3℃。

4.2 分析及測試

具體分析及測試結果如下流程圖［10～16］：

圖8 分析及測試記錄流程

測試結果，Ta比Tc低15.7℃。

4.3 仿真結果與測試結果的對比

仿真結果：Tc與Ta間的差值是17.3℃，實測結果Tc與Ta間的差值是15.7℃。兩種之間存在一定的誤差，仿真結果：

由對比分析可知：仿真結果與測試結果誤差為9.2%。

5 結語

1）芯片空氣邊界層厚度與空氣流速負相關、與壁面長度正相關，即空氣流速越大，邊界層厚度越??；壁面越長，邊界層厚度越大。如圖2中數據所示。

2）芯片空氣熱邊界層是產生熱阻θca的最主要原因（θca：芯片殼體至周圍空氣的熱阻），因此Tc＞Ta。

3）緊貼芯片殼體測得的溫度是Tc值、或仿真軟件模擬出的Tc值，不能被當做Ta值，否則會使熱設計容余量過大，造成成本浪費。

4）溫度探頭必須放置于芯片空氣熱邊界層厚度外邊沿處，方可測得準確的Ta值，以判芯片是否工作在額定的工作溫度范圍內。