導熱材料選擇與計算分享

這是一篇來自於工業設計分享群里MD-ddd的 分享，很不錯的一篇文章，分享過來，希望對於需要的朋友有所幫助。有興趣的朋友可以進群，群文件裡面還有好幾份其他群友分享的資料，也非常專業。如有不懂的，也可以進群去請教，有大牛在。

在此感謝為大家無私分享奉獻的群友們！

以下正文：

隨著科技的發展，微電子元件耗散功率的越來越大而封裝尺寸越來越小。因此，熱管理在電子產品設計中變得越來越重要。

電子設備的可靠性和設計壽命都與工作溫度成反比，從典型的硅半導體裝置的可靠性與工作溫度來看，降低工作溫度將使器件的可靠性和設計壽命成指數增加。因此有效地控制設備的工作溫度在限定內是其長時間穩定運行的保證。

散熱片是強化從熱端到冷端的熱量傳遞的器件。通常，熱端是產生熱量的器件頂部，而冷端則是作為散熱介質的環境中的空氣。下面的討論中假設空氣為冷卻介質。

在大多數情況下，熱量從固體表面傳遞到空氣時是整個傳熱系統中效率最低的環節，固體-氣體接觸面也是熱阻最大的地方。散熱片通過增加與冷卻介質的接觸面積降低了固汽接觸面的熱阻，這使得同樣的溫升下設備可以傳遞出更多的熱量或者是降低設備的工作溫度。使用散熱片的主要目的就是使得設備的工作溫度低於製造商所制定的指標。

熱力循環（直譯就是這個標題，而實際上就是我們常說的熱阻網路法，或是熱網路法/電網路法，以下稱之為熱阻網路法）在討論如何選擇散熱片之前，為了不熟悉導熱的讀者能快更明白討論的主題，先對下文中討論所涉及到的術語和建立熱阻網路的方法做些解釋。符號和術語的定義如下：

Q:總功率或者產生熱量的速度（應該翻譯為耗散功率），單位W，表示電子元件在工作中所產生熱量的速度。為了選擇合適的散熱片，通常使用耗散功率的最大值。

Tj:結溫（通常這個應該指的是結溫，而原文中的敘述是設備穩定工作的最大結溫），單位°C。許用的最大結溫值從最低常見微電子元件的115°C 到最高某些特殊溫控裝置的180°C。在軍事和某些特殊場合，很少使用工作溫度為65°C 到80°C 的元件。（原文沒有說明是工作溫度，為了不引起混淆，特修正的翻譯）。

Tc:器件的殼溫，單位°C。由於殼溫和在封裝外殼上選擇的測試點相關（電子元件封裝表面的溫度並不均一），這裡通常指的是封裝外殼上的溫度最高點。

Ts:散熱片的溫度，單位°C。這裡指的是散熱片靠近器件(封裝外殼表面)的溫度最高點。

Ta:環境溫度，單位°C。

通過溫差（原文是溫度）和傳遞熱量的速度（原文是耗散熱量的速度）的關係，在某一熱結構的兩個位置之間傳遞熱量的效率能夠使用熱阻R 進行定量的表示，熱阻R 的定義如下：R = ΔT/Q其中ΔT 是兩個位置之間的溫差。熱阻的單位是°C/W,表示了傳遞單位速率熱量時的溫差。熱阻的定義有些類似歐姆定律Re = ΔV/I 所定義的電阻Re。其中ΔV 是電位差，I 是電流。

以一個簡單的例子進行說明。如圖1，散熱片安裝在一個器件的上方。通過熱阻網路的方法，可以在圖1 的右方畫出系統的熱阻網路。在這個簡單的熱阻網路模型中，熱量連續的從器件的晶結到達殼體，然後通過和散熱片的接觸面到達散熱片上，最終被通過散熱片的氣流所帶走。

其間的晶結到殼體間的熱阻定義如下：

Rjc = (ΔTjc)/Q = (Tj - Tc)/Q

這個熱阻值通常由期間製造上所提供。儘管給定器件的Rjc 值還依賴於冷卻的方式和冷卻裝置安裝的位置。但是，通常Rjc 是一個給出的定值，並且一般認為用戶無法去改變的Rjc 的值。

同樣的，殼體-散熱片/散熱片-環境的熱阻值分別定義如下：

Rcs = (ΔTcs)/Q = (Tc - Ts)/Q

Rsa = (ΔTsa)/Q = (Ts - Ta)/Q

其中，Rcs 表示了通過殼體到散熱片之間接觸面的熱阻，通常叫做接觸熱阻（這裡似乎忽略了散熱片內部的熱阻），而通過減少接觸面的粗糙度或是使用適當的界面材料可以減少接觸熱阻。Rsa 則是散熱片到空氣的熱阻。

可以看出，從器件的晶結到環境的總熱阻是以上三個熱阻之和，如下：

Rja = Rjc + Rcs + Rsa = (Tj - Ta)/Q

所需散熱片的熱阻選擇散熱片的第一步就是決定所需散熱片的熱阻，以保證所冷卻器件工作在允許的溫度內。上面的熱阻求和的方程可以寫成下式的形式，從而得到所需的散熱片熱阻。

Rsa = ((Ts - Ta)/Q) - Rjc - Rcs

上式中的Tj, Q 和 Rjc 都是器件製造商所提供, 而 Ta 和Rcs 則是用戶自定義的參數。

用於冷卻電子設備的環境空氣溫度Ta 依賴於工作環境和所設定的最高工作環境溫度。通常,如果使用外部空氣冷卻的的話, Ta 的範圍是從35 到45°C;如果設備是封閉的或者是放置在其它熱源的附近,則Ta 的範圍是從50到60°C.

接觸熱阻Rcs 取值依賴於接觸面對的光潔度,平面度,接觸面上的壓力,接觸面積以及所使用的界面材料的種類和厚度. 但是,即使給定了界面材料的種類和厚度, 接觸熱阻的精確值卻仍然很難確定. 這是由於接觸熱阻還隨著安裝壓力和其他一些參數變化. 不過可以從界面材料的製造商和散熱片的製造商處得到相對可靠的熱阻參數.

常用的(這裡指的是Avvid 的產品)界面材料的熱阻值如下表1.

當方程右邊的參數全部定義之後,就得到了所需要散熱片Rsa 的最大熱阻值. 換句話說, 選擇的散熱片的熱阻必須小於等於所計算出的Rsa ,這樣才能保證晶結的工作溫度(工作時的結溫)小於額定值.

散熱片的選擇由於有些參數所影響的不僅僅是散熱片本身的性能，還有整個系統的性能；因此，在選擇散熱片的時候需要對這些參數仔細分析，使得選擇的散熱片滿足散熱所要求的標準。選擇某一特定類型的散熱片在很大程度上取決於對散熱片性能以及散熱片周圍環境(需要達成的散熱目標)的熱預算（原文是thermal budget），需要強調的是，一個散熱片的熱阻不會是固定的值，熱阻值總是隨著外部的冷卻條件所變化（指ja）。

所以，在選擇散熱片的時候，首先需要將系統中冷卻空氣的流動類型進行分類，確定是自然對流，低速混合流動（同時存在著自然對流和強迫風冷的情況，而且自然對流的效應不能忽略）或者是高速的強迫風冷。

自然對流是指傳熱僅僅依靠散熱片周圍由於浮力產生的空氣流動（散熱片周圍空氣的熱分布不均勻造成了密度差異，在重力和浮力共同作用下產生的流動），而沒有外部因素所產生的氣流。強迫風冷的氣流通常是採用機械方法，即軸流風扇或是離心風機所產生的。但是對於混合流動和強迫風冷並沒有確切的氣流速度的指標進行區別。

通常強迫風冷的情況下，浮力所引起的傳熱可以忽略（5%以下），而氣流的速度超過了12m/s(200 to 400lfm) (這裡的氣流速度在原文中是induced air flow，比較難以確定是風扇出口處的氣流還是系統整體的空氣流動，個人傾向於後者).

下一步則是要選擇所需要的散熱片的體積（這裡應該指的是散熱片的包絡體積？），下表2 列出了典型的散熱片在不同空氣流速下的近似的體積熱阻。

使用所需熱阻除以對應的體積熱阻可以獲得所需散熱片的最小體積。但表2 僅適用於設計初期對散熱片的預選，而散熱片的熱阻隨著其他參數的變化很可能 會超出上表所給定的範圍，如： 散熱片的類型，流道的形狀，方向，表面粗糙度，所使用海拔高度等等。 上表給定範圍的下限適用於小體積的散熱片，如100 到200 cm3(5 to 10 in3) ，上限則對應著較大體積（約1000 cm3 /60in3）的散熱片。

上表中所對應散熱器假設其已經根據流動條件對結構進行了優化。散熱片的設計需要對很多參數進行優化，而其中最重要的一個參數就是鰭片的密度。對於一個平行鰭片的散熱器來說，最適宜的鰭片間距與兩個參數有關：氣流的速度和氣流流動方向上鰭片的長度。 表3 列出了典型的使用環境下最適宜的鰭片間距和長度。

散熱片的平均散熱性能與散熱片的寬度（垂直於氣流的方向）呈線性關係，而與鰭片長度（平行於氣流方向）的平方成正比。例如，將散熱片的寬度增加到2 倍，則散熱片在同樣溫升下傳遞到空氣中的熱量也增加到兩倍；而將散熱片的長度增加2 倍，所耗散的熱量則僅增加到1.4。

因此，如果可以選擇的話，增加散熱片的寬度要比增加長度要更好。另外，在自然對流的情況下，輻射是不能忽略的，它最多能佔到總散熱量25%. 所以，最好將散熱片的表面進行噴塗或是進行陽極化處理以提高輻射量；當然，除非散熱片正對著更熱的表面（更高的輻射率帶來更高的吸收率：），至少在紅外波段是如此）。

散熱片的類型（根據製造工藝分類）

1. 衝壓成型：銅板或者鋁板可以通過衝壓成所需要的形狀。通常使用於傳統的空氣冷卻的電子設備上，多是為了低發熱量的器件提供廉價的散熱方式。由於先進的模具和高速衝壓技術的使用，衝壓成型的散熱片十分適合大批量生產。在工廠中還可以根據特定的使用為散熱片上加工螺紋，夾子和界面材料，這可以更大的消減後期電路板裝配時的人工成本。

2. 型材（擠出成型）：這種散熱器可適用於傳遞很大熱量的場合。通過擠出成型能夠形成具有特定截面形狀的型材，並且能夠進行後續的加工，如切割，機械加工等等。通過交叉的切割，可以在整個方向上形成矩形針狀鰭片和鋸齒狀鰭片這能夠提高散熱效率10%到20%, 不過這種截面的型材會降低擠出速度。擠出成型的方式也有一定的限制,如鰭片高度和鰭片間距的比,鰭片的厚度, 這限制了設計參數的選擇範圍. 通常, 使用常規的擠出成型的方式製作的散熱片, 其鰭片高度和間距的比值最大到6,而最小的鰭片厚度則是1.3mm. 使用特殊的模具設計形式可使得鰭片高度和間距的比值最大到10, 而鰭片厚度縮小到0.8mm. 然而增大高度和間距的比值也會使得相應的公差增大.

3. 焊接/裝配鰭片:絕大多數風冷散熱片都有著對流環境的限制, 散熱片鰭片的增加就會給散熱片整體散熱性能帶來顯著的提升.這種高性能的散熱片就使用熱傳導性鋁填充環氧樹脂將鰭片粘接到開有定位槽的基板上.通過這種工藝, 可以使得鰭片高度和間距的比值增大到20~40, 從而在有限的空間中很大的提高了散熱器將熱量傳遞到空氣的能力.

4. 鑄造:使用砂模,熔模鑄造和壓鑄可在真空或者通常的條件下加工鋁、銅或者青銅材質的散熱片。這種技術通常用於加工帶有高密度鰭片或者針鰭的散熱片，而這些散熱片可以在高速的氣流中提供最好的傳熱性能。

5. 折彎形式的鰭片:通過鈑金工藝可以使得鋁或者銅板在同樣的空間內增加與空氣接觸的面積.這種散熱片可以用環氧樹脂或者焊接的方式固定在基板或者需要冷卻的表面上. 由於板材厚度很小, 沿板向有較大的熱阻,因此這種工藝不適合製作大體積的散熱片. 但是通過後期裝配或者其他工藝可以用來製作高性能的散熱片.圖2 是使用不同的工藝製作不同熱阻散熱片的成本分布圖.

不同類型的散熱片隨流經空氣速度的變化很大, 為了量化不同類型散熱片的效率, 單位體積空氣的冷卻效率可以使用下式定義:

其中, m 是流體流經散熱片的質量速率, c 是流體的熱容, 而ΔTsa 則是散熱片到空氣的平均溫差, (Q 是散熱片傳遞熱量的速率). 經過對一系列不同配置下各類散熱片的測試，其傳熱效率的範圍入下表4.

而散熱片傳熱性能的提高通常與額外所需的成本相關，無論是花費於材料的成本或是選擇了更好的製造商，以或兩者兼有。（這句話雖然說的是成本和性能的關係，但是沒有指明問題，不清楚是表4 中同一類型散熱片其上下範圍相比還是額外繼續提高其性能到列表數據範圍外。）

熱性能曲線圖圖 3 是一張典型的散熱片熱性能曲線圖， 通常可以在散熱片供應商那裡得到這份資料。圖例中包含了兩條獨立的曲線，分別對應著自然對流和強迫風冷的熱性能。這份圖例所對應的散熱器假定已經正確的安裝了，氣流可以正對著散熱片的流道流過。圖例中的第一條曲線是從左下方到右上方的，這表示了散熱片溫升Tsa 隨傳遞熱量速率Q 的變化圖。這裡的自然對流曲線是散熱片已經被噴塗或者氧化成黑色後測定的。對於強迫風冷的環境，散熱片溫升Tsa 與隨傳遞熱量速率Q 近似的成線性關係，因此熱阻Rsa 與隨傳遞熱量速率Q 無關，而僅與氣流的速度相關。第二條曲線就反應了熱阻Rsa 與氣流的速度之間的關係。補充一下，在自然對流環境下溫升Tsa 隨傳遞熱量速率Q 的變化卻是非線性的，因此第一條曲線是不可缺少的。

圖 3: 典型的散熱片熱性能曲線圖

由上述可見，通過散熱片的熱性能曲線圖就可以去選取相應的散熱片和相應的對流環境或者是最小的風速來滿足熱設計的要求。例如，如果需要在強迫對流的環境中使得散熱片熱阻小於8 °C/W，則通過上圖3 可以查到風速必須大於等於2.4 m/s (470 lfm). 在自然對流的環境下，傳熱速率Q除以所需要的熱阻Rsa，即得到所允許的最大溫升Tsa。所選擇的散熱片在同樣的傳熱速率Q 下，溫升Tsa 必須等於或者小於允許的最大溫升。

讀者需要注意的是，在上圖的測量中，自然對流的情況下，散熱片是在垂直重力的平面上選擇了一個任意的方向。對於強迫風冷曲線中所對應的氣流速度指的是對於散熱片迎面氣流的速度，而沒有考慮散熱片周圍氣流的影響。在文獻2，3 中有一些對散熱片周圍氣流影響的數據，這些研究表明，如果在散熱片周圍有同樣速度的上升氣流，則可能會將散熱片散熱性能消減最多到50%。具體的情況讀者可以查閱相關點文獻。

當需要冷卻設備比散熱片的基體小很多的時候，還會引入額外的熱阻，即擴散熱阻，這也需要在散熱片的選擇中加以考慮。散熱片性能曲線圖假設熱是均勻的分布在散熱片的基體底部，並沒有考慮熱源來自很小的一塊發熱體上以及相應引起的擴散熱阻。擴散熱阻可以佔到散熱片總熱阻的5%到30%，還可以使用文獻4 中的方程進行計算。

另外一個散熱片選擇需要注意的原則是海拔高度的影響。由於室內空氣的溫度通常是受到控制的，不會受到海拔高度變化的影響，但室內空氣的壓力是隨著海拔高度的變化而變化的。當電子設備安裝在較高的海拔時，空氣的密度會隨著海拔的升高而降低（熱容也是如此），因此需要對散熱片的性能進行修正。表5 是常見散熱片的海拔修正係數。例如，對於散熱片在高海拔下的實際散熱性能，需要先從散熱性能曲線上找到相應的熱阻然後去除以下表中對應的修正係數，然後再和設計所要求的熱阻相比較。

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