如何對筆記本電腦處理器進(jìn)行散熱？

向更高性能微處理器單元(MPU|0">MPU)的不斷演變徹底改變了計算機的大小設計。這種演變通常遵循著(zhù)摩爾定律，即半導體產(chǎn)業(yè)中的晶體管密度每?jì)赡攴槐?，同時(shí)性能一代比一代高。性能的提高使得微處理器芯片的功耗和功率密度也不斷增加。

一些值得嘗試的解決方案

降低功耗的方法之一是減小電源電壓，這種方法主要得益于晶體管溝道長(cháng)度的縮短和柵極電介質(zhì)可靠性的提高。不過(guò)即使供電電壓減小，但總的功耗仍將不斷增加，其原因是芯片工作頻率越來(lái)越高、互連總電容和電阻越來(lái)越大以及呈指數式增長(cháng)和縮減的片上晶體管帶來(lái)的柵極漏電流的增加。

MPU必須控制影響其可靠性的工作溫度，其中可靠性定義為故障率或有效系統時(shí)間，單位是每106小時(shí)內的故障時(shí)間。阿列紐斯(Arrhenius)可靠性模型規定，故障率是溫度應力的函數，應力越高，故障率也就越高。一般情況下溫度每升高10℃，故障率就增加50%。反之，工作溫度降低10℃就可以減少故障率。

因此，故障率及其倒數，即平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)是衡量電子系統中熱管理效率的一種指標。在解決熱問(wèn)題的過(guò)程中，電子系統設計師必須進(jìn)入封裝和熱設計工程師的工作范疇。

除了可靠性和性能問(wèn)題外，微處理器的熱管理還涉及到經(jīng)濟和機械方面的挑戰。成本顯然是一個(gè)重要的考慮因素。在嘗試采用功率越來(lái)越高的微處理器時(shí)，尺寸方面的考慮同樣重要，特別是對于筆記本電腦而言。

目前有兩種熱設計架構(如圖)。在架構I中，裸片通過(guò)一種熱接口材料(TIM)連接到散熱器，而架構II是先將一個(gè)集成散熱器(IHS)通過(guò)TIM連接到裸片，然后IHS再通過(guò)另一個(gè)TIM連接到散熱器接口。與架構II相比，架構I的尺寸較小，通常被用于移動(dòng)和手持電腦中的微處理器。架構II則常用于臺式機和服務(wù)器等應用中的微處理器。

面向筆記本電腦的熱設計架構(a)，面向臺式機和服務(wù)器的熱設計架構(b)。 本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201706/353828.htm

散熱器

散熱器是使用得最廣泛的熱管理器件，它通過(guò)將微處理器產(chǎn)生的熱量傳導到一個(gè)特殊結構的金屬板來(lái)完成散熱。最常用的散熱器有許多金屬鰭片。這種金屬的高導熱性和大表面積能將微處理器熱量很快傳導到散熱器以及周?chē)諝庵?。散熱器的散熱能力取決于它的材料、幾何尺寸以及總的表面傳熱系數。

散熱材料通常是鋁或銅，而銅要比鋁貴和重。與銅相比，鋁具有更容易成型并制造出不同形狀的優(yōu)勢。帶鰭片的散熱器具有多種成型方式：擠壓、冷鑄、壓鑄、銑磨、焊接以及折疊。一些散熱器由一串壓入基板的圓形引腳組成。

使用散熱器時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵參數是相關(guān)聯(lián)的微處理器封裝的熱阻，它代表的是將熱量傳導到周?chē)h(huán)境中的能力。設計目標是在某一給定功率條件下獲得較低的熱阻值，這個(gè)熱阻值允許微處理器結點(diǎn)工作在最佳溫度下，并提供較長(cháng)的使用壽命。

沒(méi)有散熱器的情況下，熱量流動(dòng)將導致散逸熱量向各個(gè)方向流動(dòng)。當采用微處理器散熱器后，熱量在散發(fā)到空氣之前將先從外殼傳遞到散熱器。這樣，散熱器增加了有效散熱面積，并能夠消除微處理器產(chǎn)生的熱量，從而讓微處理器工作在更高的功率等級。

從原理上講，熱阻被表示為電阻，雖然它們事實(shí)上是等量的熱值。而從數學(xué)上講，熱阻是每器件功耗單位結點(diǎn)溫度超出殼溫的溫升幅度：

其中：θjc =從結點(diǎn)到外殼的熱阻，單位是℃/W，它是微處理器及其封裝的函數。

θja =從結點(diǎn)到環(huán)境的熱阻，單位是℃/W

Tc =微處理器殼溫，單位是℃

Ta=環(huán)境空氣溫度，單位是℃

Tj=微處理器結點(diǎn)溫度，單位是℃

Pd=微處理器功耗，單位是W

熱界面材料

理想情況下散熱器要求與需要被冷卻的微處理器保持緊密的表面接觸。但在實(shí)際使用中，微處理器和散熱器的表面并不十分平整，無(wú)法實(shí)現這種緊密的物理接觸。因此，必須使用某種熱導界面材料來(lái)填充對接表面之間的任何間隙。在許多情況下，這種界面材料還必須具有電絕緣體和熱導體兩種性質(zhì)。

這些材料的范圍很廣，從熱脂到膠帶和室溫下固態(tài)、高溫下液態(tài)的相變材料不等。某種硬化成型墊片和橡膠墊也可用作間隙填充材料。圖3給出了微處理器結點(diǎn)與周邊空氣之間的熱阻。

熱分析軟件

在將設計交付生產(chǎn)前，對其熱特性進(jìn)行評估不失為一個(gè)好主意。目前有多種軟件程序可用于這種評估。例如，Flomerics公司推出的用于電子元件和系統熱設計的Flotherm 3D仿真軟件可以創(chuàng )建電子設備的虛擬模型。

Flotherm還可以遠在任何物理原型建立前的設計過(guò)程早期階段快速且方便地執行熱分析和測試設計修改。它采用先進(jìn)的計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)預測元件、電路板和完整系統中的空氣流動(dòng)、溫度和熱量傳遞。

在評估用于電子系統的熱分析軟件時(shí)，用戶(hù)能否從供應商處得到強有力的技術(shù)支持非常重要。用戶(hù)應該充分考慮建模方法、用于分析的系統定義、計算網(wǎng)格的創(chuàng )建、解決方案和控制性能以及結果描述。