隨著科技的發(fā)展，微電子元件耗散功率的越來(lái)越大而封裝尺寸越來(lái)越小。因此，熱管理在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中變得越來(lái)越重要。

 

電子設(shè)備的可靠性和設(shè)計(jì)壽命都與工作溫度成反比，從典型的硅半導(dǎo)體裝置的可靠性與工作溫度來(lái)看，降低工作溫度將使器件的可靠性和設(shè)計(jì)壽命成指數(shù)增加。因此有效地控制設(shè)備的工作溫度在限定內(nèi)是其長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的保證。

 

散熱片是強(qiáng)化從熱端到冷端的熱量傳遞的器件。通常，熱端是產(chǎn)生熱量的器件頂部，而冷端則是作為散熱介質(zhì)的環(huán)境中的空氣。下面的討論中假設(shè)空氣為冷卻介質(zhì)。

 

在大多數(shù)情況下，熱量從固體表面?zhèn)鬟f到空氣時(shí)是整個(gè)傳熱系統(tǒng)中效率最低的環(huán)節(jié)，固體-氣體接觸面也是熱阻最大的地方。散熱片通過(guò)增加與冷卻介質(zhì)的接觸面積降低了固汽接觸面的熱阻，這使得同樣的溫升下設(shè)備可以傳遞出更多的熱量或者是降低設(shè)備的工作溫度。使用散熱片的主要目的就是使得設(shè)備的工作溫度低于制造商所制定的指標(biāo)。

 

熱力循環(huán)（直譯就是這個(gè)標(biāo)題，而實(shí)際上就是我們常說(shuō)的熱阻網(wǎng)絡(luò)法，或是熱網(wǎng)絡(luò)法/電網(wǎng)絡(luò)法，以下稱之為熱阻網(wǎng)絡(luò)法）在討論如何選擇散熱片之前，為了不熟悉導(dǎo)熱的讀者能快更明白討論的主題，先對(duì)下文中討論所涉及到的術(shù)語(yǔ)和建立熱阻網(wǎng)絡(luò)的方法做些解釋。符號(hào)和術(shù)語(yǔ)的定義如下：

 

Q:總功率或者產(chǎn)生熱量的速度（應(yīng)該翻譯為耗散功率），單位W，表示電子元件在工作中所產(chǎn)生熱量的速度。為了選擇合適的散熱片，通常使用耗散功率的最大值。

 

Tj:結(jié)溫（通常這個(gè)應(yīng)該指的是結(jié)溫，而原文中的敘述是設(shè)備穩(wěn)定工作的最大結(jié)溫），單位°C。許用的最大結(jié)溫值從最低常見(jiàn)微電子元件的115°C 到最高某些特殊溫控裝置的180°C。在軍事和某些特殊場(chǎng)合，很少使用工作溫度為65°C 到80°C 的元件。（原文沒(méi)有說(shuō)明是工作溫度，為了不引起混淆，特修正的翻譯）。

 

Tc:器件的殼溫，單位°C。由于殼溫和在封裝外殼上選擇的測(cè)試點(diǎn)相關(guān)（電子元件封裝表面的溫度并不均一），這里通常指的是封裝外殼上的溫度最高點(diǎn)。

 

Ts:散熱片的溫度，單位°C。這里指的是散熱片靠近器件(封裝外殼表面)的溫度最高點(diǎn)。

 

Ta:環(huán)境溫度，單位°C。

 

通過(guò)溫差（原文是溫度）和傳遞熱量的速度（原文是耗散熱量的速度）的關(guān)系，在某一熱結(jié)構(gòu)的兩個(gè)位置之間傳遞熱量的效率能夠使用熱阻R 進(jìn)行定量的表示，熱阻R 的定義如下：R = ΔT/Q其中ΔT 是兩個(gè)位置之間的溫差。熱阻的單位是°C/W,表示了傳遞單位速率熱量時(shí)的溫差。熱阻的定義有些類似歐姆定律Re = ΔV/I 所定義的電阻Re。其中ΔV 是電位差，I 是電流。

以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子進(jìn)行說(shuō)明。如圖1，散熱片安裝在一個(gè)器件的上方。通過(guò)熱阻網(wǎng)絡(luò)的方法，可以在圖1 的右方畫出系統(tǒng)的熱阻網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)簡(jiǎn)單的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型中，熱量連續(xù)的從器件的晶結(jié)到達(dá)殼體，然后通過(guò)和散熱片的接觸面到達(dá)散熱片上，最終被通過(guò)散熱片的氣流所帶走。

其間的晶結(jié)到殼體間的熱阻定義如下：

Rjc = (ΔTjc)/Q = (Tj - Tc)/Q

 

這個(gè)熱阻值通常由期間制造上所提供。盡管給定器件的Rjc 值還依賴于冷卻的方式和冷卻裝置安裝的位置。但是，通常Rjc 是一個(gè)給出的定值，并且一般認(rèn)為用戶無(wú)法去改變的Rjc 的值。

 

同樣的，殼體-散熱片/散熱片-環(huán)境的熱阻值分別定義如下：

Rcs = (ΔTcs)/Q = (Tc - Ts)/Q

Rsa = (ΔTsa)/Q = (Ts - Ta)/Q

 

其中，Rcs 表示了通過(guò)殼體到散熱片之間接觸面的熱阻，通常叫做接觸熱阻（這里似乎忽略了散熱片內(nèi)部的熱阻），而通過(guò)減少接觸面的粗糙度或是使用適當(dāng)?shù)慕缑娌牧峡梢詼p少接觸熱阻。Rsa 則是散熱片到空氣的熱阻。

 

可以看出，從器件的晶結(jié)到環(huán)境的總熱阻是以上三個(gè)熱阻之和，如下：

Rja = Rjc + Rcs + Rsa = (Tj - Ta)/Q

 

所需散熱片的熱阻選擇散熱片的第一步就是決定所需散熱片的熱阻，以保證所冷卻器件工作在允許的溫度內(nèi)。上面的熱阻求和的方程可以寫成下式的形式，從而得到所需的散熱片熱阻。

 

Rsa = ((Ts - Ta)/Q) - Rjc - Rcs

 

上式中的Tj, Q 和 Rjc 都是器件制造商所提供, 而 Ta 和Rcs 則是用戶自定義的參數(shù)。

用于冷卻電子設(shè)備的環(huán)境空氣溫度Ta 依賴于工作環(huán)境和所設(shè)定的最高工作環(huán)境溫度。通常,如果使用外部空氣冷卻的的話, Ta 的范圍是從35 到45°C;如果設(shè)備是封閉的或者是放置在其它熱源的附近,則Ta 的范圍是從50到60°C.

 

接觸熱阻Rcs 取值依賴于接觸面對(duì)的光潔度,平面度,接觸面上的壓力,接觸面積以及所使用的界面材料的種類和厚度. 但是,即使給定了界面材料的種類和厚度, 接觸熱阻的精確值卻仍然很難確定. 這是由于接觸熱阻還隨著安裝壓力和其他一些參數(shù)變化. 不過(guò)可以從界面材料的制造商和散熱片的制造商處得到相對(duì)可靠的熱阻參數(shù).

 

常用的(這里指的是Avvid 的產(chǎn)品)界面材料的熱阻值如下表1.

 

當(dāng)方程右邊的參數(shù)全部定義之后,就得到了所需要散熱片Rsa 的最大熱阻值. 換句話說(shuō), 選擇的散熱片的熱阻必須小于等于所計(jì)算出的Rsa ,這樣才能保證晶結(jié)的工作溫度(工作時(shí)的結(jié)溫)小于額定值.

 

散熱片的選擇由于有些參數(shù)所影響的不僅僅是散熱片本身的性能，還有整個(gè)系統(tǒng)的性能；因此，在選擇散熱片的時(shí)候需要對(duì)這些參數(shù)仔細(xì)分析，使得選擇的散熱片滿足散熱所要求的標(biāo)準(zhǔn)。選擇某一特定類型的散熱片在很大程度上取決于對(duì)散熱片性能以及散熱片周圍環(huán)境(需要達(dá)成的散熱目標(biāo))的熱預(yù)算（原文是thermal budget），需要強(qiáng)調(diào)的是，一個(gè)散熱片的熱阻不會(huì)是固定的值，熱阻值總是隨著外部的冷卻條件所變化（指ja）。

 

所以，在選擇散熱片的時(shí)候，首先需要將系統(tǒng)中冷卻空氣的流動(dòng)類型進(jìn)行分類，確定是自然對(duì)流，低速混合流動(dòng)（同時(shí)存在著自然對(duì)流和強(qiáng)迫風(fēng)冷的情況，而且自然對(duì)流的效應(yīng)不能忽略）或者是高速的強(qiáng)迫風(fēng)冷。

 

自然對(duì)流是指?jìng)鳠醿H僅依靠散熱片周圍由于浮力產(chǎn)生的空氣流動(dòng)（散熱片周圍空氣的熱分布不均勻造成了密度差異，在重力和浮力共同作用下產(chǎn)生的流動(dòng)），而沒(méi)有外部因素所產(chǎn)生的氣流。強(qiáng)迫風(fēng)冷的氣流通常是采用機(jī)械方法，即軸流風(fēng)扇或是離心風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的。但是對(duì)于混合流動(dòng)和強(qiáng)迫風(fēng)冷并沒(méi)有確切的氣流速度的指標(biāo)進(jìn)行區(qū)別。

 

通常強(qiáng)迫風(fēng)冷的情況下，浮力所引起的傳熱可以忽略（5%以下），而氣流的速度超過(guò)了12m/s(200 to 400lfm) (這里的氣流速度在原文中是induced air flow，比較難以確定是風(fēng)扇出口處的氣流還是系統(tǒng)整體的空氣流動(dòng)，個(gè)人傾向于后者).

 

下一步則是要選擇所需要的散熱片的體積（這里應(yīng)該指的是散熱片的包絡(luò)體積？），下表2 列出了典型的散熱片在不同空氣流速下的近似的體積熱阻。

使用所需熱阻除以對(duì)應(yīng)的體積熱阻可以獲得所需散熱片的最小體積。但表2 僅適用于設(shè)計(jì)初期對(duì)散熱片的預(yù)選，而散熱片的熱阻隨著其他參數(shù)的變化很可能 會(huì)超出上表所給定的范圍，如： 散熱片的類型，流道的形狀，方向，表面粗糙度，所使用海拔高度等等。 上表給定范圍的下限適用于小體積的散熱片，如100 到200 cm3(5 to 10 in3) ，上限則對(duì)應(yīng)著較大體積（約1000 cm3 /60in3）的散熱片。

上表中所對(duì)應(yīng)散熱器假設(shè)其已經(jīng)根據(jù)流動(dòng)條件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。散熱片的設(shè)計(jì)需要對(duì)很多參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，而其中最重要的一個(gè)參數(shù)就是鰭片的密度。對(duì)于一個(gè)平行鰭片的散熱器來(lái)說(shuō)，最適宜的鰭片間距與兩個(gè)參數(shù)有關(guān)：氣流的速度和氣流流動(dòng)方向上鰭片的長(zhǎng)度。 表3 列出了典型的使用環(huán)境下最適宜的鰭片間距和長(zhǎng)度。

 

散熱片的平均散熱性能與散熱片的寬度（垂直于氣流的方向）呈線性關(guān)系，而與鰭片長(zhǎng)度（平行于氣流方向）的平方成正比。例如，將散熱片的寬度增加到2 倍，則散熱片在同樣溫升下傳遞到空氣中的熱量也增加到兩倍；而將散熱片的長(zhǎng)度增加2 倍，所耗散的熱量則僅增加到1.4。

 

因此，如果可以選擇的話，增加散熱片的寬度要比增加長(zhǎng)度要更好。另外，在自然對(duì)流的情況下，輻射是不能忽略的，它最多能占到總散熱量25%. 所以，最好將散熱片的表面進(jìn)行噴涂或是進(jìn)行陽(yáng)極化處理以提高輻射量；當(dāng)然，除非散熱片正對(duì)著更熱的表面（更高的輻射率帶來(lái)更高的吸收率：），至少在紅外波段是如此）。

 

散熱片的類型（根據(jù)制造工藝分類）

 

1. 沖壓成型：銅板或者鋁板可以通過(guò)沖壓成所需要的形狀。通常使用于傳統(tǒng)的空氣冷卻的電子設(shè)備上，多是為了低發(fā)熱量的器件提供廉價(jià)的散熱方式。由于先進(jìn)的模具和高速?zèng)_壓技術(shù)的使用，沖壓成型的散熱片十分適合大批量生產(chǎn)。在工廠中還可以根據(jù)特定的使用為散熱片上加工螺紋，夾子和界面材料，這可以更大的消減后期電路板裝配時(shí)的人工成本。

 

2. 型材（擠出成型）：這種散熱器可適用于傳遞很大熱量的場(chǎng)合。通過(guò)擠出成型能夠形成具有特定截面形狀的型材，并且能夠進(jìn)行后續(xù)的加工，如切割，機(jī)械加工等等。通過(guò)交叉的切割，可以在整個(gè)方向上形成矩形針狀鰭片和鋸齒狀鰭片這能夠提高散熱效率10%到20%, 不過(guò)這種截面的型材會(huì)降低擠出速度。擠出成型的方式也有一定的限制,如鰭片高度和鰭片間距的比,鰭片的厚度, 這限制了設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇范圍. 通常, 使用常規(guī)的擠出成型的方式制作的散熱片, 其鰭片高度和間距的比值最大到6,而最小的鰭片厚度則是1.3mm. 使用特殊的模具設(shè)計(jì)形式可使得鰭片高度和間距的比值最大到10, 而鰭片厚度縮小到0.8mm. 然而增大高度和間距的比值也會(huì)使得相應(yīng)的公差增大.

 

3. 焊接/裝配鰭片: 絕大多數(shù)風(fēng)冷散熱片都有著對(duì)流環(huán)境的限制, 散熱片鰭片的增加就會(huì)給散熱片整體散熱性能帶來(lái)顯著的提升.這種高性能的散熱片就使用熱傳導(dǎo)性鋁填充環(huán)氧樹(shù)脂將鰭片粘接到開(kāi)有定位槽的基板上.通過(guò)這種工藝, 可以使得鰭片高度和間距的比值增大到20~40, 從而在有限的空間中很大的提高了散熱器將熱量傳遞到空氣的能力.

 

4. 鑄造: 使用砂模,熔模鑄造和壓鑄可在真空或者通常的條件下加工鋁、銅或者青銅材質(zhì)的散熱片。這種技術(shù)通常用于加工帶有高密度鰭片或者針鰭的散熱片，而這些散熱片可以在高速的氣流中提供最好的傳熱性能。

 

5. 折彎形式的鰭片: 通過(guò)鈑金工藝可以使得鋁或者銅板在同樣的空間內(nèi)增加與空氣接觸的面積.這種散熱片可以用環(huán)氧樹(shù)脂或者焊接的方式固定在基板或者需要冷卻的表面上. 由于板材厚度很小, 沿板向有較大的熱阻,因此這種工藝不適合制作大體積的散熱片. 但是通過(guò)后期裝配或者其他工藝可以用來(lái)制作高性能的散熱片.圖2 是使用不同的工藝制作不同熱阻散熱片的成本分布圖.

 

不同類型的散熱片隨流經(jīng)空氣速度的變化很大, 為了量化不同類型散熱片的效率, 單位體積空氣的冷卻效率可以使用下式定義:

 

其中, m 是流體流經(jīng)散熱片的質(zhì)量速率, c 是流體的熱容, 而ΔTsa 則是散熱片到空氣的平均溫差, (Q 是散熱片傳遞熱量的速率). 經(jīng)過(guò)對(duì)一系列不同配置下各類散熱片的測(cè)試，其傳熱效率的范圍入下表4.

而散熱片傳熱性能的提高通常與額外所需的成本相關(guān)，無(wú)論是花費(fèi)于材料的成本或是選擇了更好的制造商，以或兩者兼有。（這句話雖然說(shuō)的是成本和性能的關(guān)系，但是沒(méi)有指明問(wèn)題，不清楚是表4 中同一類型散熱片其上下范圍相比還是額外繼續(xù)提高其性能到列表數(shù)據(jù)范圍外。）

 

熱性能曲線圖圖 3 是一張典型的散熱片熱性能曲線圖， 通常可以在散熱片供應(yīng)商那里得到這份資料。圖例中包含了兩條獨(dú)立的曲線，分別對(duì)應(yīng)著自然對(duì)流和強(qiáng)迫風(fēng)冷的熱性能。這份圖例所對(duì)應(yīng)的散熱器假定已經(jīng)正確的安裝了，氣流可以正對(duì)著散熱片的流道流過(guò)。圖例中的第一條曲線是從左下方到右上方的，這表示了散熱片溫升Tsa 隨傳遞熱量速率Q 的變化圖。這里的自然對(duì)流曲線是散熱片已經(jīng)被噴涂或者氧化成黑色后測(cè)定的。對(duì)于強(qiáng)迫風(fēng)冷的環(huán)境，散熱片溫升Tsa 與隨傳遞熱量速率Q 近似的成線性關(guān)系，因此熱阻Rsa 與隨傳遞熱量速率Q 無(wú)關(guān)，而僅與氣流的速度相關(guān)。第二條曲線就反應(yīng)了熱阻Rsa 與氣流的速度之間的關(guān)系。補(bǔ)充一下，在自然對(duì)流環(huán)境下溫升Tsa 隨傳遞熱量速率Q 的變化卻是非線性的，因此第一條曲線是不可缺少的。

 

圖 3: 典型的散熱片熱性能曲線圖

由上述可見(jiàn)，通過(guò)散熱片的熱性能曲線圖就可以去選取相應(yīng)的散熱片和相應(yīng)的對(duì)流環(huán)境或者是最小的風(fēng)速來(lái)滿足熱設(shè)計(jì)的要求。例如，如果需要在強(qiáng)迫對(duì)流的環(huán)境中使得散熱片熱阻小于8 °C/W，則通過(guò)上圖3 可以查到風(fēng)速必須大于等于2.4 m/s (470 lfm). 在自然對(duì)流的環(huán)境下，傳熱速率Q除以所需要的熱阻Rsa，即得到所允許的最大溫升Tsa。所選擇的散熱片在同樣的傳熱速率Q 下，溫升Tsa 必須等于或者小于允許的最大溫升。

 

讀者需要注意的是，在上圖的測(cè)量中，自然對(duì)流的情況下，散熱片是在垂直重力的平面上選擇了一個(gè)任意的方向。對(duì)于強(qiáng)迫風(fēng)冷曲線中所對(duì)應(yīng)的氣流速度指的是對(duì)于散熱片迎面氣流的速度，而沒(méi)有考慮散熱片周圍氣流的影響。在文獻(xiàn)2，3 中有一些對(duì)散熱片周圍氣流影響的數(shù)據(jù)，這些研究表明，如果在散熱片周圍有同樣速度的上升氣流，則可能會(huì)將散熱片散熱性能消減最多到50%。具體的情況讀者可以查閱相關(guān)點(diǎn)文獻(xiàn)。

 

當(dāng)需要冷卻設(shè)備比散熱片的基體小很多的時(shí)候，還會(huì)引入額外的熱阻，即擴(kuò)散熱阻，這也需要在散熱片的選擇中加以考慮。散熱片性能曲線圖假設(shè)熱是均勻的分布在散熱片的基體底部，并沒(méi)有考慮熱源來(lái)自很小的一塊發(fā)熱體上以及相應(yīng)引起的擴(kuò)散熱阻。擴(kuò)散熱阻可以占到散熱片總熱阻的5%到30%，還可以使用文獻(xiàn)4 中的方程進(jìn)行計(jì)算。

另外一個(gè)散熱片選擇需要注意的原則是海拔高度的影響。由于室內(nèi)空氣的溫度通常是受到控制的，不會(huì)受到海拔高度變化的影響，但室內(nèi)空氣的壓力是隨著海拔高度的變化而變化的。當(dāng)電子設(shè)備安裝在較高的海拔時(shí)，空氣的密度會(huì)隨著海拔的升高而降低（熱容也是如此），因此需要對(duì)散熱片的性能進(jìn)行修正。表5 是常見(jiàn)散熱片的海拔修正系數(shù)。例如，對(duì)于散熱片在高海拔下的實(shí)際散熱性能，需要先從散熱性能曲線上找到相應(yīng)的熱阻然后去除以下表中對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)，然后再和設(shè)計(jì)所要求的熱阻相比較。

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