散熱片及其相關(guān)資料

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上利用散熱片來(lái)增加散熱的面積是熱管理技術(shù)中最常見(jiàn)也是最基本的方式，隨著電子器件發(fā)熱密度增加的趨勢(shì)，散熱的需求日益增加，散熱設(shè)計(jì)的困難度越來(lái)越高，所花費(fèi)的成本也越來(lái)越多。雖然新制程及設(shè)計(jì)技術(shù)不斷提升，散熱片的應(yīng)用在有限空間的限制下，似乎有漸漸趨向極限的趨勢(shì)，未來(lái)各種不同的冷卻技術(shù)如水冷、冷凍循環(huán)以及浸入式沸騰冷卻等都可能用來(lái)解決散熱問(wèn)題。盡管如此，散熱片仍是最經(jīng)濟(jì)、最可靠的散熱方式，因此為了滿足未來(lái)電子散熱的需求，在散熱片的形狀、材料及制程上都必須有更新的技術(shù)，此外集成其它散熱器件的設(shè)計(jì)方式的也可以增加應(yīng)用時(shí)的效率。散熱片的種類散熱片可分為下面幾種，1. 壓印(Stamp

2、ings)散熱片銅片或鋁片可用壓印的方式制成所需的形狀。此種制程成本低，適合批量供應(yīng)，可用于低熱密度的器件。而壓印的器件在組裝上也有自動(dòng)化的便利性，因此可進(jìn)一步降低成本。 2. 擠型(Extrusion)散熱片 擠型的制造方式是由將材料在高壓下強(qiáng)制流入?？字谐尚味沟霉腆w轉(zhuǎn)換為等截面的連續(xù)長(zhǎng)條。擠形是散熱片制造中最廣泛使用的方式，設(shè)備投資的經(jīng)額中等?？山?jīng)由橫切的方式產(chǎn)生矩形的針狀散熱片，可產(chǎn)生鋸齒狀的鰭片以增加1020%的效能，但會(huì)降低擠型的速度。擠型的高寬比限制可高到6，使用特殊模具設(shè)計(jì)時(shí)則可到10的高寬比。 3. 鑄造(Casting)散熱片 將熔化的金屬加壓到金屬模中，以產(chǎn)生精確尺寸的器

3、件。此技術(shù)可產(chǎn)生高密度的針狀散熱片。高的治具費(fèi)用是最大的成本投資，但適合大量生產(chǎn)的低器件成本可補(bǔ)回此部分。鑄造散熱片的熱傳導(dǎo)性會(huì)受到固化時(shí)氣體滲入而產(chǎn)生多孔狀而降低。 4. 接著(Bonding)散熱片 接著散熱片將鰭片組裝于散熱片底部，接著劑對(duì)散熱片的效率影響很大，如果制造不當(dāng)，會(huì)形成熱的阻礙，一般使用導(dǎo)熱膠或是焊錫。接著散熱片的底部由于需特別加工，因此會(huì)使得成本較高，但由于制造技術(shù)的提升，以及接著劑的改良，如熱導(dǎo)性的鋁填充膠等，使得接著散熱片的成本降低。此種制程方式可制造高寬比高的散熱片，在不增加體積需求下可大量增加冷卻效率。 5. 折迭(Folding)散熱片 折迭散熱片將金屬片折迭成鰭

4、片數(shù)組形狀，由于將折迭的金屬片藉由焊錫及銅焊接的方式焊接于散熱片底部，因此在接口上造成額外的熱阻。在制作上的步驟增加，使得成本提升。而制造小間距的鰭片也是困難點(diǎn)。由于增加散熱面積，因此散熱效率不錯(cuò)。 6. 改良式的鑄造(Modified die-casting) 散熱片此種制造方式是傳統(tǒng)鑄造方式的延伸，首先將相當(dāng)薄的壓印鰭片數(shù)組以間格物隔開，然后以?shī)A具固定，使散熱片的底部鑄造時(shí)將鰭片固定于底部，而形成散熱片。此種方式消除了鰭片及底部材料的接口熱阻，此種制程可提供高的高寬比。 7. 鍛造(Forging)散熱片 鍛造散熱片是用非常高的壓力敲擊（punch）方式將金屬材料壓入模中使鰭片成形，可能遇

5、到的制程上的問(wèn)題是材料會(huì)阻礙在模子中，使得高度不均一，熱鍛造比較容易，而冷鍛造可制造較密及較強(qiáng)的鰭片。鍛造方式的優(yōu)點(diǎn)包括高強(qiáng)度、較小的表面粗糙度以及材料的均一性等。鍛造方式的散熱片具有較高的高寬比。 8. 切削(Skiving)散熱片 這是一種新的散熱片制程方式，鰭片用特殊的刀具加工，使得弧狀的精密薄片由金屬塊削出，由于鰭片和金屬塊是相同材料，因此沒(méi)有接著散熱片或是折迭散熱片的缺點(diǎn)。9. 機(jī)械加工(Machining)散熱片 由機(jī)械加工的方式將材料從金屬塊中移除以形成鰭片的形狀。最常用的方式是在CNC 機(jī)器上采用一組切割鋸，鋸子之間有精密的距離，以切割出鰭片幾何形狀。由于加工時(shí)容易造成鰭片的破

6、壞或卷曲，因此需二次加工。優(yōu)點(diǎn)是容易自動(dòng)化，因此未來(lái)仍有使用空間。圖一散熱片制造方式散熱片的應(yīng)用方式 散熱片的選用，最簡(jiǎn)單的方式是利用熱阻的概念來(lái)設(shè)計(jì)，熱阻是電子熱管理技術(shù)中很重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，定義為： T / P 其中T 為溫度差，P 為芯片之熱消耗。熱阻代表器件熱傳的難易度，熱阻越大，器件得散熱效果越差，如果熱阻越小，則代表器件越容易散熱。由熱阻所構(gòu)成之網(wǎng)絡(luò)來(lái)看，共包括了熱由芯片到封裝外殼之熱阻Rjc，熱由封裝表面到散熱片底部經(jīng)由接口材料到散熱片底部之熱阻Rcs，以及熱由散熱片底部傳到大氣中之熱阻Rsa 三個(gè)部分。 圖二散熱片應(yīng)用之熱網(wǎng)絡(luò)圖 Rjc 為封裝本身的特性，與封裝設(shè)計(jì)有關(guān)，在封裝完

7、成后此值就固定，須由封裝設(shè)計(jì)廠提供。 Rjc=(Tj-Tc) / P Tj為芯片接口溫度，一般在微電子的應(yīng)用為115180，而在特定及軍事的應(yīng)用上則為6580。Ta的值在提供外界空氣時(shí)為3545，而在密閉空間或是接近其它熱源時(shí)則可定為5060。 Rcs為接口材料之熱阻，與接口材料本身特性有關(guān)，而散熱片設(shè)計(jì)者則須提供Rsa的參數(shù)。 Rcs=(Tc-Ts) / P Rsa=(Ts-Ta) / P Rcs 和表面光滑度、接口材料的材料特性以及安裝壓力以及材料厚度有關(guān)，由于一般設(shè)計(jì)時(shí)常會(huì)忽略接口材料的特性，因此需特別注意。由熱阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)看，可以得到熱阻的關(guān)系為： Rja=Rjc+Rcs+Rsa=(Tj-

8、Ta) / P 散熱片的作用即是如何使用適當(dāng)?shù)纳崞沟眯酒臏囟萒j 保持在設(shè)定值以下。然而散熱設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮器件的成本，圖三則為幾種傳統(tǒng)散熱片及器件的成本和性能估算，由圖中可知，性能佳的散熱片成本一般較高，如果散熱量較小的設(shè)計(jì)，就可以不必用到高性能高成本的散熱器件。散熱設(shè)計(jì)時(shí)必須了解散熱片的制作成本及性能的搭配，才能使散熱片發(fā)揮最大效益。 圖三散熱片性能及成本之關(guān)系散熱片的材料 傳統(tǒng)散熱片材料為鋁，鋁的熱傳導(dǎo)性可達(dá)209W/m-K，加工特性佳，成本低，因此應(yīng)用非常廣。而由于散熱片性能要求越來(lái)越高，因此對(duì)于散熱片材料熱傳導(dǎo)特性的要求也更為殷切，各種高傳導(dǎo)性材料的需求也越來(lái)越高。銅的熱傳導(dǎo)率3

9、90W/m-K，比起鋁的傳導(dǎo)增加70%，而缺點(diǎn)是重量三倍于鋁，每磅的價(jià)格和鋁相同，而更難加工。由于受限于高溫的成型限制，無(wú)法和鋁同樣擠型成形，而銅的機(jī)械加工花更多時(shí)間，使加工機(jī)具更易損毀。然而當(dāng)應(yīng)用的場(chǎng)合受限于傳導(dǎo)特性為重點(diǎn)時(shí)，銅通?？勺鳛樘娲?，此外利用銅做為散熱片的底部可提升熱傳擴(kuò)散的效率，降低熱阻值。 一些增進(jìn)散熱的材料如高導(dǎo)熱的polymer、碳為基材的化合物，金屬粉沫燒結(jié)，化合的鉆石以及石墨等都是目前受矚目的熱傳導(dǎo)材料。然而最需要的性質(zhì)是什么？控制的傳導(dǎo)性、高加工性、低重量、低熱膨脹系數(shù)、低毒性以及更重要的是成本必須低于鋁。許多新材料的物理特性高于鋁，但價(jià)格也多了許多倍。 AlSi

10、C是目前最新的材料，混合各種鋁合金以制成特殊的物理性質(zhì)，控制的熱膨脹、高傳導(dǎo)性以及顯著的強(qiáng)度使得AlSiC 更有吸引力，由于成本的關(guān)系，這種材料一般用在底部及作為功率模塊底部和芯片直接接觸的基板。散熱片的設(shè)計(jì)的一般原則接著我們進(jìn)一步討論散熱片的詳細(xì)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，首先介紹一般的方式，這些簡(jiǎn)單的方法可以對(duì)一些應(yīng)用簡(jiǎn)單的散熱片設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：1. 包絡(luò)體積以散熱片的設(shè)計(jì)而言，這里介紹一個(gè)簡(jiǎn)易的方法，也就是包絡(luò)體積的觀念，所謂包絡(luò)體積是指散熱片所占的體積，如果發(fā)熱功率大，所需的散熱片體積就比較大。散熱片的設(shè)計(jì)可就包絡(luò)體積做初步的設(shè)計(jì)，然后再就散熱片的細(xì)部如鰭片及底部尺寸做詳細(xì)設(shè)計(jì)。發(fā)熱瓦數(shù)和包絡(luò)體積的

11、關(guān)系如下式所示。 LogV=1.4xlogW-0.8(Min 1.5cm3) 圖四包絡(luò)體積示意圖 圖五包絡(luò)體積和輸入功率的關(guān)系 2. 散熱片底部厚度：要使得散熱片效率增加，散熱片底部厚度有很大的影響，散熱片底部必須夠厚才能使足夠的熱能順利的傳到所有的鰭片，使得所有鰭片有最好的利用效率。然而太厚的底部除了浪費(fèi)材料，也會(huì)造成熱的累積反而使熱傳能力降低。良好的底部厚度設(shè)計(jì)必須由熱源部分厚而向邊緣部份變薄，如此可使散熱片由熱源部份吸收足夠的熱向周圍較薄的部份迅速傳遞。散熱瓦數(shù)和底部厚度的關(guān)系如下式所示： t=7xlogW-6 (min 2mm) 圖六底部之厚度關(guān)系 圖七底部厚度和輸入功率的關(guān)系 3.

12、鰭片形狀：散熱片內(nèi)部的熱藉由對(duì)流及輻射散熱，而對(duì)流部分所占的比例非常高，對(duì)流的產(chǎn)生 （1） 鰭片間格在散熱片壁面會(huì)因?yàn)楸砻娴臏囟茸兓a(chǎn)生自然對(duì)流，造成壁面的空氣層（邊界層）流，空氣層的厚度約2mm，鰭片間格需在4mm以上才能確保自然對(duì)流順利。但是卻會(huì)造成鰭片數(shù)目減少而減少散熱片面積。鰭片間格變狹窄-自然對(duì)流發(fā)生減低，降低散熱效率。鰭片間格變大-鰭片變少，表面積減少。 （2） 鰭片角度鰭片角度約三度。 圖八鰭片形狀 表一鰭片形狀參考值 （3） 鰭片厚度當(dāng)鰭片的形狀固定，厚度及高度的平衡變得很重要，特別是鰭片厚度薄高的情況，會(huì)造成前端傳熱的困難，使得散熱片即使體積增加也無(wú)法增加效率。散熱片變短時(shí)

13、，增加表面積會(huì)增加散熱效率，但也會(huì)使散熱片的體積減少而造成的缺點(diǎn)（熱容量減少）因而產(chǎn)生。因此鰭片長(zhǎng)度需保持一定才能產(chǎn)生效果。鰭片變薄-鰭片傳熱到頂端能力變?nèi)貊捚兒?鰭片數(shù)目減少（表面積減少）鰭片增高-鰭片傳到頂端能力變?nèi)酰w積效率變?nèi)酰捚兌?表面積減少 4. 散熱片表面處理：散熱片表面做耐酸鋁（Alumite）或陽(yáng)極處理可以增加輻射性能而增加散熱片的散熱效能，一般而言，和顏色是白色或黑色關(guān)系不大。表面突起的處理可增加散熱面積，但是在自然對(duì)流的場(chǎng)合，反而可能造成空氣層的阻礙，降低效率。 上述之設(shè)計(jì)方式僅供散熱片設(shè)計(jì)之參考，實(shí)際散熱片設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮與器件以及環(huán)境的配合，尤其是高效能散熱片的設(shè)

14、計(jì)需配合實(shí)驗(yàn)量測(cè)驗(yàn)證以及CFD的分析模擬。強(qiáng)制對(duì)流散熱片設(shè)計(jì) 隨著散熱的需求日益增加，散熱片的效率需要進(jìn)一步提升，基本上可透過(guò)兩個(gè)方式來(lái)改善，第一個(gè)方法是增加熱傳系數(shù)h，第二個(gè)方法則是增加散熱面積，可由牛頓冷卻定律說(shuō)明。 q=hA(Theat sink-Tair)熱傳系數(shù)可以透過(guò)幾個(gè)方法增加： (1) 增加空氣流速這個(gè)是很直接的方法，可以配合風(fēng)速高的風(fēng)扇來(lái)達(dá)成目的，但是須注意當(dāng)鰭片變密或是形狀形成阻礙時(shí)，會(huì)造成流阻，形成背壓或回流，產(chǎn)生噪音及灰塵。 (2) 平板型鰭片做橫切將平板鰭片切成多個(gè)短的部分，這樣雖然會(huì)減少散熱片面，但是卻增加了熱傳導(dǎo)系數(shù)，同時(shí)也會(huì)增加壓。當(dāng)風(fēng)向?yàn)椴欢ǚ较驎r(shí)，此種設(shè)計(jì)較

15、為適當(dāng)。 (3) 針狀鰭片設(shè)計(jì)針狀鰭片散熱片具有較輕及體積較小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有較高的體積效率，更重要的是具有等方向性，因此適合強(qiáng)制對(duì)流散熱片，如圖九所示。鰭片的外型有可分為矩形、圓形以及橢圓形，矩形散熱片是由鋁擠型橫切而成，圓形則可由鍛造或鑄造成型，橢圓形或液滴形的散熱片熱傳系數(shù)較高，但成型比較不易。 (4) 沖擊流冷卻利用氣流由鰭片頂端向底部沖擊，這種冷卻的方式可以增加熱傳導(dǎo)性，但是須注意風(fēng)的流向配合整體設(shè)計(jì)。 圖九針狀鰭片散熱片（Alpha Inc.） 圖十輻射狀鰭片散熱片(JMC Inc.)對(duì)于常見(jiàn)的風(fēng)扇置于散熱片上方的下吹設(shè)計(jì)，由于須配合風(fēng)扇特性，因此需做更精確的設(shè)計(jì)。軸流風(fēng)扇由于有旋

16、轉(zhuǎn)效應(yīng)，同時(shí)軸的位置風(fēng)不易吹到，因此許多散熱片設(shè)計(jì)成輻射狀，如圖十所示。也有些散熱片的頂端設(shè)計(jì)成長(zhǎng)短不一或是彎曲的形狀用以導(dǎo)風(fēng)。另外種方式是采用側(cè)吹的方式，一般而言，側(cè)吹方式的散熱片由于氣流可吹過(guò)鰭片，而且流阻較少，因此對(duì)于高且密的鰭片而言，配合頂端加蓋設(shè)計(jì)以防止氣流旁通（bypass），側(cè)吹式比下吹式可有更好的效果。但是由于占用了側(cè)面空間，因此減少了散熱片鰭片數(shù)目。特殊型式的風(fēng)扇設(shè)計(jì)時(shí)最好配合CFD 模擬，以確認(rèn)散熱片形狀所造成的效應(yīng)，如圖十一所示，同時(shí)應(yīng)配合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。另一方面，強(qiáng)制對(duì)流散熱片的設(shè)計(jì)還須注意系統(tǒng)風(fēng)向及機(jī)構(gòu)配合，利用系統(tǒng)風(fēng)散熱、注意其它零件造成的流阻以及利用外殼等部份做進(jìn)一步散熱，以節(jié)省空間。圖十一散熱片熱傳分析(a) model (b) 鰭片溫度分布(c)散熱片溫度分布 結(jié)論 目前散