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      芯片散热计算器

      根据散热片有效面积(平方厘米)估算温升系数(摄氏度/瓦)

      公式: ℃/W = 50 / Sqrt(Area cm2 )

       
      Area[A] (cm2)
      有效面积
      ℃/W ( 温升系数)

      根据已知温升计算散热片的最小有效散热片面积

      公式: Area [A](cm2) = (50/(℃/W) )2

      ℃/W (温升系数)
      有效面积
      Area[A] (cm2)

      芯片散热知识

      一,热阻

          硅材料:硅具有优良的半导体电学性质。禁带宽度适中,为1.21电子伏。载流子迁移?#24335;?#39640;,电子迁移率为1350平方厘米/伏 .秒,空穴迁移率为480平方厘米/伏 .秒。本征电阻率在室温(300K)下高达2.3×10的5次方 欧 .厘米,掺杂後电阻率可控制在10的4次方~10的负4次方 欧 .厘米的宽广范围内,能满足制造各种器件的需要。硅单晶的非平衡少数载流子寿命较长,在几十微秒至1毫秒之间。热导?#24335;?#22823;,化学性质稳定,又?#23376;?#24418;成稳定 的热氧化膜。在平面型硅器件制造中可?#26434;?#27687;化膜实现PN结表面钝化和保护,还可以形成金属氧化物半导体结构,制造MOS型场效应晶体管和集成电路。上述性 质使PN结具有良好特性,使硅器件具有耐高压,反向漏电流小,效率高,使用寿命长,可靠性好,热传导好等优点。

          在电脑中我们经常看到MOS器件,那么什么是MOS器件呢?

          MOS的全文是:Metal Oxide Semiconductor 金属氧化物半导体。用氧化膜硅材料制作的场效应晶体管,就叫做MOS型场效应晶体管,既:金属氧化物场效应晶体管。

          在冬季,当我?#21069;?#25163;放在一块木板?#22836;?#22312;一块铁板上?#20445;?#23601;会?#33455;?#21040;铁板比木板凉,铁板越大,接触的越紧,越感到凉。这说明铁板比木板的散热能力好,而且散热能力与面积,体积,?#36127;?#24418;状,以及接触面的紧密程度都有关系。

          在电脑工作?#20445;?#33455;片晶体管PN结的损?#27169;?#20219;何集成电路芯片都是由N个晶体管组成)产生了温升Ti,它是通过管芯与外壳之间的热阻Rri,无散热片时元件外 壳和周围环境之间的热阻Rrb,元件与散热片之间的热阻Rrc和散热片与周围环境之间的热阻Rrf这四种渠道将热量传走,使温差能?#29615;显?#20214;正常运行的要 求。

         由于热的传导以流过Rri,Rrc和Rrf三个热阻为主,因此总热阻Rrz可?#26434;?#19979;式来表示:

         Rrz=Rri+Rrc+Rrf

          于是当芯片的允许温升和功耗都已经?#33539;?#20102;以后,即可定出需要的总热阻Rrz,再从下式?#33455;?#23450;散热器的尺寸,这就是我要介绍热阻的目的和它的应用。

          热阻Rr是从芯片的管芯经外壳,接触面,散热片到周围空气的总热阻Rrz,因此可有下式计算得知。

          Ti-Ta=Pc(Rti+Rrc+Rrf)=Pc Rrz

          Rrz=(Ti-Ta)/Pc

          式中:Ti芯片允许的结温,Ta芯片环境周围的空气温度,Pc芯片的热源功率损耗

      二,热导系数

          热导系数(又被称作“导热系数?#34987;頡?#23548;热率?#20445;?#26159;反映材料热性能的重要物理量。热传导是热交换的三种(热传导,对流?#22836;?#23556;)基本?#38382;?#20043;一,是工程热物理, 材料科学,固态物理,能源,环保等各个?#33455;?#39046;域的课题。材?#31995;?#23548;热机理在很大程度上取决于它的微观结构,热量的传递依靠原子,分子围绕平衡位置的振动以及 ?#26434;?#30005;子的迁移。在导电金属中电子流起支配作用,在绝缘体和大部?#32844;?#23548;体?#24615;?#20197;晶格振动起主导作用。

          1882年法国科学家?#36947;?#21494;(J.Fourier)建立了热传导理论,目前各种测量导热系数的方法都是建立在?#36947;?#21494;热传导定律的基础上。当物体内部有温度 梯度存在?#20445;?#23601;有热量从高温处传递到低温处,这种现象臂称为热传导。?#36947;?#21494;指出,在dt时间内通过ds面积的热量dQ,正比于物体内的温度梯度,其比例系 数时导热系数,既:

                    dQ/dt=-λ .dt/dx .ds

          式中dQ/dt为传热速率,dt/dx是与面积ds相垂直的方向?#31995;?#28201;度梯度,“-”号表示热量由高温区域传向低温区域,λ是热导系数,表示物体导热能力的大小。在式中λ的单位是W.m负1次方.K负1次方。

          ?#26434;?#21508;向异性材料,各个方向的导热系数是不同?#27169;?#24120;用张量来表示)。

          如果大家对上述的公式看不懂或不太明白(上述属于大学高等物理课程),下面我用通俗的语言表述热导系数。

          热导系数又?#39057;?#28909;系数或导热率。表征物质热传导性能的物理量。设在物体内?#30475;?#30452;于导热方向取两个相距1米,面积为1平方米的平行面,而这两个平面的温度相 差1度,则在1秒内从一个平面传导到另一平面的热量就规定为该物质的热导率。其单位为:瓦/(米.摄氏度),原工程单位制?#24615;?#20026;:千卡/(米.小时.摄氏 度),热导率的倒数称为导热热阻。其它条件不变?#20445;?#28909;导?#35270;?#22823;导热热阻就愈小,则导热量就愈大;反之则导热量就愈小。

          通过上述公式和定义可知:芯片散热方式是靠与芯片接触的基板(铜材或铝?#27169;?#38754;积与机箱内的温差通过箱内的空气流散热?#27169;?#36825;种散热量与基板面积成正比。当机 箱内温度达到一定?#20445;?#20063;就失去了散热能力。要想把芯片散发出的热量排走,在常规下只能用强风。所以无风扇静音热管的散热方式,是不可取的。

         另外根据空气动力学原理(就不列公式了),机箱风扇的安装,风向必须一致,既:前入后出,形成一个风道,才能将箱体内的热量带走,起到散热的目的。

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