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(shè)計。這種演變通常遵循著摩爾定律，即半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的晶體管密度每兩年翻一倍，同時性能一代比一代高。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度的縮短和柵極電介質(zhì)可靠性的提高。不過即使供電電壓減小，但總的功耗仍將不斷增加，其原因是芯片工作頻率越來越高、互連總電容和電阻越來越大以及呈指數(shù)式增長和縮減的片上晶體管帶來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(tǒng)時間，單位是每106小時內(nèi)的故障時間。阿列紐斯(Arrhenius)可靠性模型規(guī)定，故障率是溫度應(yīng)力的函數(shù)，應(yīng)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(shù)，即平均無故障時間(MTBF)是衡量電子系統(tǒng)中熱管理效率的一種指標(biāo)。在解決熱問題的過程中，電子系統(tǒng)設(shè)計師必須進(jìn)入封裝和熱設(shè)計工程師的工作范疇。

除了可靠性和性能問題外，微處理器的熱管理還涉及到經(jīng)濟和機械方面的挑戰(zhàn)。成本顯然是一個重要的考慮因素。在嘗試采用功率越來越高的微處理器時，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(shè)計架構(gòu)(如圖)。在架構(gòu)I中，裸片通過一種熱接口材料(TIM)連接到散熱器，而架構(gòu)II是先將一個集成散熱器(IHS)通過TIM連接到裸片，然后IHS再通過另一個TIM連接到散熱器接口。與架構(gòu)II相比，架構(gòu)I的尺寸較小，通常被用于移動和手持電腦中的微處理器。架構(gòu)II則常用于臺式機和服務(wù)器等應(yīng)用中的微處理器。

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

散熱器

散熱器是使用得最廣泛的熱管理器件，它通過將微處理器產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到一個特殊結(jié)構(gòu)的金屬板來完成散熱。最常用的散熱器有許多金屬鰭片。這種金屬的高導(dǎo)熱性和大表面積能將微處理器熱量很快傳導(dǎo)到散熱器以及周圍空氣中。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?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

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。

使用散熱器時的一個關(guān)鍵參數(shù)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(dǎo)到周圍環(huán)境中的能力。設(shè)計目標(biāo)是在某一給定功率條件下獲得較低的熱阻值，這個熱阻值允許微處理器結(jié)點工作在最佳溫度下，并提供較長的使用壽命。

沒有散熱器的情況下，熱量流動將導(dǎo)致散逸熱量向各個方向流動。當(dāng)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，雖然它們事實上是等量的熱值。而從數(shù)學(xué)上講，熱阻是每器件功耗單位結(jié)點溫度超出殼溫的溫升幅度：

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

θja =從結(jié)點到環(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(jié)點溫度，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。但在實際使用中，微處理器和散熱器的表面并不十分平整，無法實現(xiàn)這種緊密的物理接觸。因此，必須使用某種熱導(dǎo)界面材料來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(dǎo)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(jié)點與周邊空氣之間的熱阻。

熱分析軟件

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

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

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