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1、肋片散热器 Heat Sinks,高红霞 82338952 新主楼C座1006室,主要内容,来由 性能 优化 选择与设计 材料 加工工艺,Heat Sinks,肋片散热器(heat sinks)的来由,Newtons law of cooling: Q = h . A . (Tw - Tf) 增强传热的方式 增加传热面积 增强表面对流换热系数 在电子设备的总尺寸、重量、所耗金属材料、流阻性能增加不多的前提下，采用肋片散热器，其散热量最大可增加一个数量级。,最简单的形式,肋片散热器(heat sinks)的性能,散热效率,Heat sink efficiency is defined as:
2、= Q / (m.c.DTsA) Q = the total heat flow 热流 m = the air mass flow rate 气流质量流量 c = the specific heat of the cooling fluid, and 冷空气热容 DTsA = average temperature difference between heat sink and cooling fluid 散热器与冷空气之间的平均温差,肋片散热器的传热分析假设, 肋片上任何一点的温度不随时间变化； 肋片材料的材质均匀，导热系数为常数； 肋片与环境之间的对流换热表面传热系数为常数； 周围环境流
3、体的温度为常数； 肋片仅在其高度方向有温度梯度； 在肋片根部不存在接触热阻； 肋片根部温度均匀且为常数； 肋片内部无热源； 忽略肋端面和侧面的对流换热。,肋片效率,肋片实际散热量 与理想情况（即假定肋片材料的导热系数为无限大，肋片上任一点温度均等于肋根温度）下散热量 之比 流体流过肋片散热器时热阻为 仅考虑了流体流过肋片表面的热阻，而未考虑肋片根部基壁表面对传热的影响。,肋片表面效率,有效传热面积与总传热面积之比 带肋片壁面换热热阻为 包含了流体对肋片表面的对流传热热阻及肋片的导热热阻，后者反映在表面效率上。,m值的意义,肋片材料和流体物性的函数 为横截面周长， 为横截面面积,肋片散热器(he
4、at sinks)的优化,肋片参数的优化,随着肋片高度的增加，肋片的散热量必定增加 ？,散热器的基板厚度优选,不同风速下散热器齿间距选择方法,不同翅片厚度下散热器齿间距选择方法,Tj=73.5C,Tj=70.8C,Tj=68.1C,Tj=67.1C,0.5”x0.6”x0.5”,0.5”x1.5”x0.5”,1.5”x0.6”x0.5”,0.5”x0.6”x1.5”,宽度加倍，散热能力加倍,fin的长度加倍，散热能力为1.4倍,Tj=64.0C,Tj=63.7C,1.5”x1.5”x1.6”,2.0”x2.0”x1.6”,Tj=73.5C,Tj=70.8C,Tj=68.1C,Tj=67.1C,
5、Tj=64.0C,Tj=63.7C,Aluminum,Copper,1.5”x1.5”x1.6”,1.5”x1.5”x1.6”,优化软件,Cool-CAT, a free heat sink design software from AAVID, Inc. Qfin, distributed by Applied Thermal Technologies Cool-CAT 需要输入的参数有 散热器的尺寸 fin的数目和厚度 散热器的高度 芯片的功耗 平均气流速度 输出有 fin数目变化时散热器的效率 散热器的总体热阻,肋片散热器(heat sinks)的选择与设计,To select a he
6、at sink for a given application, we must consider four things:针对给定的应用选择散热器，我们必须考虑以下四点： The overall thermal resistance from junction to air, Rja 从结点到空气的热阻 The available space 允许空间 The amount of airflow available 可能的空气流量 Cost of the heat sink 散热器的成本 The overall thermal resistance is defined as: 整体的热阻为
7、： Rja = (Tj - Tamb)/P = Rjc + Rcs + Rsa,通常Rja随着下列因素提高而降低： heat sink size 散热器的尺寸 fin数目 air velocity around the heat sink 散热器周围空气流速 对于给定的散热器，Rja随着气流速度提高而降低，到了一定程度，Rja降低量可以忽略不计，原因是边界层已完全形成。,Heat Sink Resistance 散热器的热阻,对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2，可采用自然风冷。 对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2，可采用自然风冷
8、。 对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。 对通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。,散热器冷却方式的判据,主动和被动散热,依照从散热器带走热量的方式，还可以将散热器分为主动散热和被动散热。前者常见的是风冷散热器，而后者常见的就是散热片。进一步细分散热方式，可以分为风冷，液冷，半导体制冷，压缩机制冷，液氮制冷等等,通常散热器的设计分为三步 1:根据相关约束条件设计出轮廓图。 2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行
9、优化。 3:进行校核计算。,散热器设计的步骤,自然冷却散热器的设计注意事项,考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。 自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热齿表面不加波纹齿。 自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。 由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲击，建议大于
10、5mm以上。,强迫冷却散热器的设计注意事项,在散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于0.5mm。 增加散热器的齿片数。目前国际上先进的挤压设备及工艺已能够达到23的高宽比，国内目前高宽比最大只能达到8。对能够提供足够的集中风冷的场合，建议采用低温真空钎焊成型的冷板，其齿间距最小可到2mm。 采用针状齿的设计方式，增加流体的扰动，提高散热齿间的对流换热系数。 当风速大于1m/s(200CFM)时，可完全忽略浮升力对表面换热的影响。,在一定的冷却体积及流向长度下，确定散热器齿片最佳间距的大小的方法,不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较,肋片散热器的材料,Thermal Propert
11、ies of Heat Sink Materials 散热器材料热特性,肋片散热器底座与翅片材料需求,散热器所要做的的就是要将聚集CPU Die中的热量传导到更大的热导体并通过巨大的散热面积与空气进行热交换。在这个过程中，散热片的底座是与CPU接触并聚集热量的地方，而翅片则是热量传导的终点，最终将热量散失到空气中。所以，散热器的底座和翅片是最值得重视的两个部分。,首先是散热器底座在短时间内能尽可能多的吸收CPU释放的热量，即瞬间吸热能力，只有具备高热传导系数的金属才能胜任。其次是散热器本体应当具备足够的储热能力，即较大的热容量，通常承担这个任务的是翅片。对于金属导热材料而言，比热和热传导系数是
12、两个重要的参数。,目前最常用的散热片材料是铜和铝合金。而铝合金容易加工，成本低，所以也是应用最多的材料。相比之下，铜的瞬间吸热能力比铝合金好，但散热的速度就较铝合金要慢。,采用铜铝结合制造，采用铜金属底座或铜柱芯，而散热翅片采用铝合金。凭借较高的导热系数，铜制底面可以快速吸收CPU释放的热量；铝制鳍片可以借助复杂的工艺手段制成最有利于散热的形状，并提供较大的储热空间并快速释放，这在各方面找到了的一个均衡点。,肋片散热器底座与翅片材料需求,同样体积的散热材料，铜的重量是铝的3倍；而铝的比热仅为铜的2.3倍。所以相同体积下，铜散热片可以比铝散热片容纳更多的热量，升温更慢。同样一块厚度的底部，铜不但
13、可以快速引走CPU Die的温度，自己的温度上升也比铝的散热片缓慢。因此铜更适合做成散热器的底面。,两种金属的结合比较困难，铜和铝之间的亲和力较差，如果接合处理不好，便会产生较大的介面热阻（即两种金属之间由于不充分接触而产生的热阻）。,肋片散热器的加工工艺,Types of Heat Sinks available:现有的散热器种类： Stampings 冲压 Extrusions 拉伸 Bonded/Fabricated 粘接 Folded 折叠 Liquid-cooled cold plates 液体冷板 Casting 铸造,Stamping Heat Sinks:冲压散热器 are m
14、ade of copper or aluminum sheet metal铜片或铝片可用压印的方式制成所需的形状 low cost, high volume solution for low power applications成本低，适合批量供应，可用于低热密度的器件。而压印的器件在组装上也有自动化的便利性，因此可进一步降低成本。,Extrusion Heat Sinks:拉伸（挤型）散热器 将铝锭高温加热至约 520540，在高压下让铝液流经具有沟槽的挤型模具，作出散热片初胚，然再对散热片初胚进行裁剪、剖沟等处理。 may be used for large wattage loads大发
15、热量 can be longitudinal, cross-cut, or serrated types可由横切的方式产生各种形式的针状翅片 Limited by height-to-gap ratio and fin thickness that can be achieved by machining高宽比限制可高至6，使用特殊磨具设计可达10,Cross-cut Extruded Heat Sink (May be used when flow is not in one direction),Bonded/Fabricated Heat Sinks: 粘接（接着）散热器 接着散热片将鳍
16、片组装于散热片底部，接着剂对散热片的效率影响很大，如果制造不当，会形成热的阻碍，一般使用导热胶或是焊锡。接着散热片的底部由于需特别加工， No limitation on height-to-gap ratio or fin thickness， They are high performance heat sinks可获得高的高宽比或翅片厚度，在不增加体积需求下可大量增加冷却效率 插齿技术和回流焊技术,Bonded-fin Heat Sink (May be used for large surface area needs),Folded-Fin Heat Sinks: 折叠-fin散热器 Thin corrugated sheet metal bonded or brazed to base metal折迭散热片将金属片折迭成鳍片数组形状，由于将折迭的金属片藉由焊锡及铜焊接的方式焊接于散热片底部，因此在接口上造成额外的热阻 Ar
