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芯片短缺与第三代半导体崛起,性能散热挑战大

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01 散热器与热传递

散热器是用来传导、释放热量的一系列装置的统称。

多数散热器会借由发热部件表面接触以吸收热量,再通过热传导将热量传递到其他地方,这涉及到散热器的散热方式,即散热器散发热量的主要方式。在热力学中,散热就是热量传递,热量主要有热传导、热对流和热辐射三种传递方式。

热传导,指物质本身或当物质与物质接触时发生的能量传递,这也是最为常见的热传递方式。比如我们日常生活中,笔记本电脑的CPU会安装CPU散热片,散热片底座会与CPU直接接触并带走CPU运行时产生的热量,这就属于热传导。

热对流,指通过流体(气体或液体)将热量带走的热传递方式。电脑机箱内的散热系统会安装散热风扇,通过风扇带动气体流动的"强制热对流"进行散热,这也属于主动式散热。

热辐射,指依靠射线辐射传递热量,太阳辐射就属于热辐射。

以上三种散热方式在日常的热量传递中大多数时刻同时发生,共同起作用。

目前散热器主要有采暖散热器以及计算机散热器两大类型,其中采暖散热器的具体分类可以按照材质和工作模式进行划分,计算机散热器一般按照用途和安装方法进行分类。日常生活中,一般居民对于散热器的直接接触主要集中在冬季用散热器进行采暖以及电脑、手机散热等应用领域。

为保证手机电脑等消费电子的CPU等电子原器件的导热及散热,进而保证电子仪器、仪表等的电气性能的稳定,在CPU与散热片之间的空隙间通常会填充导热硅脂。其作用是向散热片传导CPU散发出来的热量,使CPU温度保持在一个可以稳定工作的水平,防止CPU因为散热不良而损毁,延长使用寿命。

作为一种化学物质,考虑硅脂的应用场合,我们可以从导热硅脂的性能参数推断散热器性能好坏,该性能参数包括工作温度、热传导系数、热阻系数、介电常数、黏度等。

02 散热器热阻

散热器热阻,是散热器在热平衡下散出半导体器件管芯热量能力的量度。热阻值定义为,散热器上一规定点温度对周围冷却介质一规定点温度差与流经这两点热流(功率)的比值,单位为c/w

散热器的热阻是用来评估特定应用中散热器性能的最常用方法。根据以下公式可知,通过将散热片的热阻Rth乘以被冷却装置的耗散功率Q,再加上环境温度Tamb,可以确定装置的外壳温度Tc

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热阻测试中热源加热电流的提供方法根据被测产品实际应用需求有模拟法、直流法、半波动态法等。

散热器的性能不仅取决于表面积,还取决于散热器的所有相关尺寸,其中最关键的是散热翅片之间的间距。散热片之间的间距对散热片表面的散热速度有很大影响,这通常被称为传热系数h。表面积A和散热率h,决定了散热器的表面温度Ts

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如上图所示,式中Q是散热器的总散热量,随着翅片之间的间距在某一点减小,传热会由于热边界层厚度的增加而降低。

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03 散热器与半导体

我们可接触的CPU散热器除了常见的风冷、水冷散热外,还有半导体散热器。半导体散热器的基本原理是通过半导体将热量传输到热端(鳍片),通过风扇来带走鳍片热量,所以本质上还是通过风扇和鳍片来完成散热,但是热量通过半导体传输,因此半导体散热器的绝大部分功耗都被用于半导体导热材料的运作上。

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半导体,指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。常见的半导体材料包括硅、锗、砷化镓、磷化铟等。硅是各种半导体中,在商业应用上最为成功也是最为广泛的的半导体材料。

半导体晶体在被掺入特定的杂质元素后就会具有可控制的导电性能,这使得半导体成为制造电子芯片的最佳材料。

完整的芯片制造流程包括芯片设计晶圆代工封装测试,因为消费电子、新能源汽车、智能家居家电、通信基站等多领域对于芯片的需求,芯片在近年形成需求高景气但前端晶圆代工以及后端封测的半导体产能全线吃紧的情况。全球范围内芯片供应的缺乏使得芯片制造材料也水涨船高,第三代半导体正在成为市场焦点。

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第三代半导体具备高频、高效、高功率、耐高温高压等特点,契合节能减排、智能制造等国家重大战略需求。随着新能源汽车、5G基站等行业的兴起,以SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)的第三代半导体材料成为了半导体产业新的竞争焦点以及发展趋势。

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全球疫情以及材料存量不足的情况下,芯片短缺的现状预计在短时间内不会得到解决。国内各大厂商正在研制替代芯片,第三代半导体的虽然得到迅速发展,但是材料开发不成熟,新一代半导体芯片的制作以及工艺成熟预计将需要很长一段时间。

在寻找替代品以及芯片消费降级的时刻,对于消费电子、新能源汽车等芯片需求大、性能要求高的领域,其散热问题将会成为下一个急需解决的难题。

散热效能的检测是散热器产品研发、制造、品质管理等环节中不可或缺的重要过程。

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