怎样选择散热片 怎样选择散热片 电子设备的功能可靠性与预期寿命直接受到设备中器件的工作温度影响硅器件的可靠性与工作温度的关系说明, 降低工作温度会使器件可靠性和使用寿命成指数比例增加为保证器件的长寿命和性能的可靠, 设计人员必须将器件工作温度有效地控制在限值以内 应用散热器目的是增大发热表面散热量, 在以下讨论中, 一般将空气作为冷却剂在大多数情况下, 热源通过固体表面与冷却空气之间的界面进行热交换, 同时该界面也是散热的最大障碍 散热器则通过直接与冷却剂接触, 增大有效散热面积来减小散热阻碍, 以允许更大的发热量和(或)降低器件的工作温度散热器的主要用来保证器件工作温度维持在器件手册提供的最高允许温度以下 热路 热路 在讨论散热器选择之前, 先了解以下概念: Q : 热耗, 单位W, 指器件工作时发热量, 常常用到的是最大功耗; Tj : 最大结温, 单位℃; Tc : 器件壳温, 单位℃; Ts : 散热片温度, 单位℃;指散热器上靠近器件部位的温度; Ta : 环境温度, 单位℃; 另外用热阻R描述两点间的热传递效能: R = ⊿⊿T/Q ⊿⊿T表示两点间的温度差这一公式类似于电路中的欧姆定律, 与电回路相类似的我们也把传热路径称为热路。
图1: 热阻回路 从器件结到壳的热阻为: Rjc = (⊿⊿Tjc)/Q = (Tj - Tc)/Q 这一热阻由器件制造决定, 使用者无法改变它同样可以得到壳到散热片和散热片到环境空气间的热阻值: Rcs = (⊿⊿Tcs)/Q = (Tc - Ts)/Q Rsa = (⊿⊿Tsa)/Q = (Ts - Ta)/Q Rcs通常叫界面热阻, 它取决于散热片的装配或衬垫材料特性Rsa是散热器热阻因此: Rja = Rjc + Rcs + Rsa = (Tj - Ta)/Q 确定散热器热阻 确定散热器热阻 第一步,确定散热器热阻: Rsa = ((Tj - Ta)/Q) - Rjc - Rcs Tj, Q 和 Rjc 由器件手册查, Ta 和Rcs 由设计人员确定, 注意Ta应为器件工作的“实际“环境 Rcs 取决于表面抛光, 平整度, 衬垫安装压力, 接触面及界面材料和其厚度这些参数往往很难完整地获得, 下表是一些典型值可供参考 材料 导热系数 W/in 發ochC 厚度 inches 热阻 in2 發ochC/W There-O-Link Thermal Compound 0.010 0.002 0.19 High Performance Thermal Compound 0.030 0.002 0.07 Kon-Dux 0.030 0.005 0.17 A-Dux 0.008 0.004 0.48 1070 Ther-A-Grip 0.014 0.006 0.43 1050 Ther-A-Grip 0.009 0.005 0.57 1080 Ther-A-Grip 0.010 0.002 0.21 1081 Ther-A-Grip 0.019 0.005 0.26 A-Phi 220 @ 20psi 0.074 0.020 0.27 1897 in Sil-8 0.010 0.008 0.81 1898 in Sil-8 0.008 0.006 0.78 表1: 界面材料热特性 散热器选择 散热器选择 选择散热器必须考虑成本及其外部环境, 如气流速度。
对气流流速分级, 自然对流完全依赖气压差形成, 强迫对流则需要使用风机 对于强迫对流, 当风速超过1到2m/s, 其中自然对流部分就可以忽略(只占5%左右) 第二步, 选择散热器体积表2是不同流速下近似的散热器体积热阻范围 空气流速 m/s (lfm) 体积热阻 cm3 發ochC/W (in3 發ochC/W) 自然对流 500-800(30-50) 1.0 (200) 150-250(10-15) 2.5 (500) 80-150(5-10) 5.0 (1000) 50-80(3-5) 表2: 体积热阻范围 表2用以在选择之初进行估算实际热阻值会因为许多因素改变而不同在散热器优选时一个重要参数是散热器的肋片间距在平行肋片散热器中, 最佳肋片间距主要与空气流速和气流方向上的肋片长度有关这可以参见表3作为指导 Fin length, mm (in)气流状况 m/s (lfm)75 3.0150 6.0225 9.0300 12.0自然对流6.5 0.257.5 0.3010 0.3813 0.501.0 (200)4.0 0.155.0 0.206.0 0.247.0 0.27 2.5 (500)2.5 0.103.3 0.134.0 0.165.0 0.20 5.0 (1000)2.0 0.082.5 0.103.0 0.123.5 0.14表3: Fin spacing (in mm/inches) versus flow and fin length 散热片性能与垂直气流方向的宽度成正比, 与气流方向长度的平方根成正比, 所以增加散热器宽度的效果要好于增加长度的效果。
另外, 在自然对流情况下, 辐射热传递作用较突出, 辐射热传递可以提高25%的散热量, 另外, 除非是器件附近有高热源, 散热器表面都应涂覆或氧化处理以提高辐射性能 散热片种类 散热片种类 常用散热器根据制造方法和表面处理可分为以下几种: 1.冲压散热片: 常用于器件冷却由铜或铝片冲出需要的形状用于器件冷却或低热密度的一种低成本散热方法适合大批量生产以降低冲制成本 2.挤压型材散热片: 型材散热片的肋片增加波纹可增加10到20%的散热能力 3. 焊接或熔铸肋片: 4. 铸型散热片: 5. Folded Fins: 图 2 是各种散热器材效费比较 空气流速对散热器散热性能影响很大, 可以用下面表达式量化散热器的散热能力 m 是流过散热器的空气流速,c是流体热容, ⊿⊿Tsa为散热片与空气的平均温差, 散热效能比较如下: 散热片种类 n range, % 冲压及平板散热器 10-18 型材 15-22 Impingement flow Fan heat sinks 25-32 Fully ducted extrusions 45-58 Ducted pin fin, Bonded & folded fins 78-90 表 4: 散热片传热性能范围 热特性曲线 热特性曲线 图 3:典型热特性图 散热器厂商往往提供热特性图, 它由两个图合并得来, 红线是自然对流曲线, 兰线是强迫对流曲线, 利用这些图可以选择合适的散热器。
大气压力的变化也会影响散热器的散热性能, 如表5, 海拔高度 m/ft 因子 0, 海平面 1.00 1000 3000 0.95 1500 5000 0.90 2000 7000 0.86 3000 10000 0.80 3500 12000 0.75 表 5: 海拔影响因子 参考文献 [1] Seri Lee, Aavid Thermal Technologies, How to select a heat sink June 1995 - Vol.1, No.1, ElectronicsCooling 。