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散热器的设计
时间:2019-09-12 07:10 作者:admin666 来源:
 


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 * 30mm10mm*10mm。仿真结果如下:

blob.png


两种芯片尺寸下,热流密度分别为:

  30 mm * 30 mmPdens = 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%

blob.png

10 mm * 10 mm芯片散热器界面温度分布

                blob.png


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



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