散热器是最重要的热设计物料之一。本章来讲述散热器设计应当注意的事项。
散热器散热器的设计，主要考虑以下几个方面：
1) 发热源热流密度；
2) 发热元器件温度要求；
3) 产品内部空间尺寸；
4) 散热器安装紧固力；
5) 成本考量；
6) 工业设计要求。
发热源热流密度
热量从发热元器件到散热器之间的传递方式是热传导。通常情况下，散热器的基板面积会大于发热元器件的发热面积。当元器件热流密度较大时，扩散热阻（Spreading Resistance）对热量传递的影响就会显现。
扩散热阻一个简化直观的定义是：当热源与底板的面积相差比较大时，热量从热源中心往边缘扩散所形成热阻叫扩散热阻。
下面通过一个实际的仿真，来描述散热器设计时需要如何考虑扩散热阻。结果暂仅通过仿真呈现。趋势上可以作为参考，量化的精准结果还需要实际测试。
主要情景设置：
环境温度：20 C；
冷却方式：强迫对流；
风量：固定，5 CFM；
芯片功耗：20W；
芯片模型：块简化，导热系数15 W/m.K
散热器三维尺寸：40 mm*40 mm*20 mm
界面材料：为了显性化散热器设计，先不考虑TIM，仿真中不设置TIM。
维持主要场景所有设置，芯片尺寸分别设置为30mm * 30mm和10mm*10mm。仿真结果如下：
两种芯片尺寸下，热流密度分别为：
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
芯片尺寸缩减后，热流密度增大了9倍。散热器在没有做任何变更的前提下，就造成了芯片约8C的上升。散热器的热阻从2.18 C/W升高到2.59 C/W，散热器整体热阻恶化了19%。
10 mm * 10 mm芯片散热器界面温度分布
30 mm * 30 mm芯片散热器界面温度分布
由于扩散热阻的存在，芯片热流密度大时，散热器边缘的温度会明显低于贴合芯片处的温度。散热器边缘处的利用效率下降。
扩散热阻的详细理论计算可参考文章：
http://www.electronics-cooling.com/1998/01/calculating-spreading-resistance-in-heat-sinks/
结论：同样一个散热器，应用于相同的场景，当发热源的热流密度增加时，其有效热阻将增加。
对于热流密度比较大的芯片，常见的减小扩散热阻的方法有以下几条：
1) 加厚散热器的基板，降低热量在平面方向上的传输热阻；
2) 使用导热系数更高的散热器材料；
3) 在散热器基板上埋装热管；
1) 使用VC复合到散热器基板上。
参考资料：
陈继良：从零开始学散热.第四版.第一章
标签： 点击： 评论: