散熱器是最重要的熱設(shè)計(jì)物料之一。本章來講述散熱器設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)注意的事項(xiàng)。
散熱器散熱器的設(shè)計(jì)，主要考慮以下幾個(gè)方面：
1) 發(fā)熱源熱流密度；
2) 發(fā)熱元器件溫度要求；
3) 產(chǎn)品內(nèi)部空間尺寸；
4) 散熱器安裝緊固力；
5) 成本考量；
6) 工業(yè)設(shè)計(jì)要求。
發(fā)熱源熱流密度
熱量從發(fā)熱元器件到散熱器之間的傳遞方式是熱傳導(dǎo)。通常情況下，散熱器的基板面積會(huì)大于發(fā)熱元器件的發(fā)熱面積。當(dāng)元器件熱流密度較大時(shí)，擴(kuò)散熱阻（Spreading Resistance）對熱量傳遞的影響就會(huì)顯現(xiàn)。
擴(kuò)散熱阻一個(gè)簡化直觀的定義是：當(dāng)熱源與底板的面積相差比較大時(shí)，熱量從熱源中心往邊緣擴(kuò)散所形成熱阻叫擴(kuò)散熱阻。
下面通過一個(gè)實(shí)際的仿真，來描述散熱器設(shè)計(jì)時(shí)需要如何考慮擴(kuò)散熱阻。結(jié)果暫僅通過仿真呈現(xiàn)。趨勢上可以作為參考，量化的精準(zhǔn)結(jié)果還需要實(shí)際測試。
主要情景設(shè)置：
環(huán)境溫度：20 C；
冷卻方式：強(qiáng)迫對流；
風(fēng)量：固定，5 CFM；
芯片功耗：20W；
芯片模型：塊簡化，導(dǎo)熱系數(shù)15 W/m.K
散熱器三維尺寸：40 mm*40 mm*20 mm
界面材料：為了顯性化散熱器設(shè)計(jì)，先不考慮TIM，仿真中不設(shè)置TIM。
維持主要場景所有設(shè)置，芯片尺寸分別設(shè)置為30mm * 30mm和10mm*10mm。仿真結(jié)果如下：
兩種芯片尺寸下，熱流密度分別為：
30 mm * 30 mm：Pdens = 20 /30/30 = 0.022 W/mm2 = 2.22 W/cm2
10 mm * 10 mm: Pdens = 20/10/10 = 0.2 W/mm2 = 20 W/cm2
芯片尺寸縮減后，熱流密度增大了9倍。散熱器在沒有做任何變更的前提下，就造成了芯片約8C的上升。散熱器的熱阻從2.18 C/W升高到2.59 C/W，散熱器整體熱阻惡化了19%。
10 mm * 10 mm芯片散熱器界面溫度分布
30 mm * 30 mm芯片散熱器界面溫度分布
由于擴(kuò)散熱阻的存在，芯片熱流密度大時(shí)，散熱器邊緣的溫度會(huì)明顯低于貼合芯片處的溫度。散熱器邊緣處的利用效率下降。
擴(kuò)散熱阻的詳細(xì)理論計(jì)算可參考文章：
http://www.electronics-cooling.com/1998/01/calculating-spreading-resistance-in-heat-sinks/
結(jié)論：同樣一個(gè)散熱器，應(yīng)用于相同的場景，當(dāng)發(fā)熱源的熱流密度增加時(shí)，其有效熱阻將增加。
對于熱流密度比較大的芯片，常見的減小擴(kuò)散熱阻的方法有以下幾條：
1) 加厚散熱器的基板，降低熱量在平面方向上的傳輸熱阻；
2) 使用導(dǎo)熱系數(shù)更高的散熱器材料；
3) 在散熱器基板上埋裝熱管；
1) 使用VC復(fù)合到散熱器基板上。
參考資料：
陳繼良：從零開始學(xué)散熱.第四版.第一章
標(biāo)簽： 點(diǎn)擊： 評論: