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散热器的设计注意事项

2020/4/24 标签:散热器的设计 阅读:77次
散热器是最重要的热设计物料之一。鸿威电子散热器厂家技术人员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:
散热器仿真结果图
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
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
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。
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;
4)使用VC复合到散热器基板上。

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