散热片

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散热片是一种以复合的热交换模式来散热的东西，它在电子工程设计的领域中被归类为“被动性散热元件”，以导热性佳、质轻、易加工之金属（多为铝或铜，银则过于昂贵，一般不用）制成，并且贴附于发热物体表面。

散热片不需要额外的驱动能源就能执行散热，是最典型的被动性散热元件。除此之外热导管（heat pipe）也是近年来日益普及与推崇的被动性散热元件，至于主动式散热元件则有散热风扇（用马达、电力驱动）、水冷循环等。

为了强化散热片的散热效率，一般还会采取两个手段，一是与发热表面间不采行直接贴附接触，而是在两接面间追加涂抹“导热膏”，导热膏能够加强热传导效率，胜过两金属直接贴触，另一则是增加散热片的散热面积，增加面积的方式即是将散热片以沟槽化方式设计，以沟槽来增加散热面积。

## 传热原理

散热器将热能从高温设备转移到低温流体介质。流体介质通常是空气，但也可以是水、冷媒甚至油。如果流体介质是水，散热器通常被称为冷板。在热力学中，散热器是一种可以吸收任意热量而不会显著改变温度的热库。电子设备的实际散热器必须具有高于周围环境的温度，才能透过对流、辐射和传导传递热量。电子设备的电源并不是绝对高效的，因此会产生多余的热量，这可能会损害设备的功能。因此，设计中包含了散热器来散热。

傅氏热传导定律表明，当物体内部存在温度梯度时，热量会从温度较高的区域传递到温度较低的区域。热量透过传导传递的速率， $q_k$，与温度梯度和热量传递的横截面积的乘积成正比。当将其简化为x方向的一维形式时，可以表示为：

$$q_k = -k A \frac{dT}{dx}.$$

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对于管道中的散热器，当空气流过管道时，散热器底座通常比流过管道的空气更热。对于稳态条件，将能量守恒定律和牛顿冷却定律应用于图中所示的温度节点，可得到下列方程组：

$$\dot{Q} = \dot{m} c_{p,\text{in}}(T_\text{air,out} - T_\text{air,in}),$$

$$\dot{Q} = \frac{T_\text{hs} - T_\text{air,av}}{R_\text{hs}},$$

where

$$T_\text{air,av} = \frac{T_\text{air,in} + T_\text{air,out}}{2}.$$

$\dot{m}$ 是空气质量流量，单位为 kg/s

$c_{p,\text{in}}$ 是进入空气的比热容，单位为 J/(kg °C)

${R_\text{hs}}$ 是散热器的热阻

使用平均空气温度是一个对于相对较短的散热器有效的假设。计算紧凑型热交换器时，使用对数平均空气温度。

上述方程式显示：

- 当流过散热器的空气减少时，就会导致平均空气温度升高。这反过来又会增加散热器的基准温度。另外散热器的热阻也会增加。最终结果是散热器基底温度升高。

本文后面将显示散热器热阻随流速降低而增加的情况。

- 入口空气温度与散热器基准温度密切相关。例如，如果产品中有空气再循环，则入口空气温度不是环境空气温度。因此散热器的入口空气温度较高，这也导致散热器基底温度较高。
- 如果散热器周围没有气流，能量就无法传输。
- 散热器并不是一种“像海绵一样吸收热量并将其送到平行宇宙的神奇能力”的装置。

自然对流需要空气在散热器上自由流动。如果散热片没有垂直对齐，或者散热片之间的距离太近，导致它们之间没有足够的空气流通，那么散热器的效率就会下降。

## 设计因素

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### 热阻

对于各种消费和工业电子产品中使用的半导体装置，热阻的概念简化了散热器的选择。半导体芯片和周围空气之间的热流被建模为一系列热流阻力；从芯片到设备外壳、从外壳到散热器以及从散热器到周围空气都存在阻力。这些电阻的总和是从芯片到周围空气的总热阻。热阻定义为每单位功率的温升，类似于电阻，以每瓦摄氏度(°C/W)为单位表示。如果知道装置的耗散功率（单位为瓦特），并计算出总热阻，那么就可以计算出芯片相对于周围空气的温升。

半导体散热器的热阻的概念是一种近似值。它没有考虑设备或散热器上热量的不均匀分布。它只模拟热平衡系统，不考虑温度随时间的变化。它也不能反映出辐射和对流相对于温度上升的非线性。然而，制造商将散热器和半导体装置的热阻典型值制成表格，从而简化了商业制造的散热器的选择。

商用挤压铝散热器的热阻（散热器到周围空气）范围从用于TO-3装置的大型散热器的0.4 °C/W到用于TO-92小塑胶外壳的夹式散热器的85 °C/W。TO-3 外壳中流行的2N3055功率晶体管从接面到外壳的内部热阻为1.52 °C/W。设备外壳和散热器之间的接触热阻可能在0.5 至 1.7 °C/W之间，具体取决于外壳尺寸和油脂或绝缘云母垫圈的使用情况。

### 材料

散热器应用的材料应具有高热容量和热导率，以便吸收更多的热能而不会转向非常高的温度并将其传输到环境中以实现有效冷却。最常见的散热器材质是铝合金。1050 铝合金具有较高的热导率值之一，为 229 W/(m·K)，热容量为922 J/(kg·K)，但机械性能较软。常用的铝合金有 6060（低应力）、6061、6063，热导率值分别为166、201 W/(m·K)。该值取决于合金的韧性。一体式铝散热器可以透过挤压、铸造、刮削或铣削制成。

铜在导热性、耐腐蚀性、抗生物淤积和抗菌性方面具有优异的散热性能（另请参阅热交换器中的铜）。铜的热导率约为铝的两倍，纯铜的热导率约为 400 W/(m·K)。其主要应用在工业设施、发电厂、太阳能热水系统、暖通空调系统、燃气热水器、强制空气加热和冷却系统、地热加热和冷却以及电子系统。

铜的密度是铝的三倍，且价格较贵，且延展性不如铝。一体成型铜散热器可以透过刮削或铣削制成。金属片散热片可以焊接到矩形铜体上。

### 鳍片效率

翅片效率是决定高导热性材料重要性的参数之一。散热器的翅片可以看作是一个平板，热量从一端流入，流向另一端时被耗散到周围的流体中。当热量流过翅片时，由于散热器的热阻阻碍流动，加上对流造成的热量损失，翅片的温度以及因此传递给流体的热量将从翅片的底部到末端降低。翅片效率定义为翅片实际传输的热量除以翅片等温时的热传导（假设翅片具有无限的热导率）。这些方程式适用于直翅片：

$$\eta_\text{f} = \frac{\tanh(mL_c)}{mL_c},$$

$$mL_c = \sqrt{\frac{2h_\text{f}}{kt_\text{f}}} L_\text{f},$$

其中。

hf 为翅片传热系数:

空气中 10 至 100 W /（m2·K）。

水中为 500 至 10,000 W /（m2·K）。

k 为翅片材料的热传导率:

铝为 120 至 240 W /（m·K）。

Lf 为翅片高度（m）。

tf 为翅片高度（m）。

透过降低翅片长宽比（使其更厚或更短），或使用导电性更强的材料（例如，用铜代替铝）可以提高翅片效率。

### 鳍片布置

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针状散热器是一种具有从底座延伸出的针脚的散热器。销钉可以是圆柱形、椭圆形或方形。第二种散热器翅片结构是直翅片。直翅片散热器的变体是横切散热器。第三种类型的散热器是喇叭状翅片散热器，其中翅片彼此不平行。将翅片张开可减少流动阻力，使更多的空气通过散热器翅片通道；否则，更多的空气将会绕过散热片。倾斜它们可以保持整体尺寸相同，但可以提供更长的鳍。右图显示了三种类型的范例。

Forghan 等人 发表了对针状翅片、直翅片和喇叭翅片散热器进行的试验数据。他们发现，当空气接近速度较低时（通常约 1 米/秒），其热性能比直翅片散热器至少好 20%。Lasance 和 Eggink 还发现，在他们测试的旁路配置中，喇叭口散热器的性能优于其他经过测试的散热器。

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一般来说，散热器的表面面积越大，其性能越好。实际性能取决于设计和应用。针翅散热器的概念是在任意流体流动方向上工作时，在给定的体积内填充尽可能多的表面积。Kordyban 比较了类似尺寸的针翅式散热器和直翅片散热器的性能。虽然针状翅片的表面面积为 194 cm2，而直翅片的表面积为 58 cm2，但对于针状翅片来说，散热器底座与周围空气之间的温差为 50 ℃，而对于直翅片来说，散热器底座与周围空气之间的温差为 44 ℃，比针状翅片好 6 ℃在最佳应用中，流体沿着针脚轴向流动而不是仅沿针脚切向流动，此时针翅散热器的性能明显优于直翅片。

散热片类型｜宽度 cm｜长度 cm｜高度 cm｜表面积 cm2｜体积 cm3｜温差, T外壳e − T空气 °C

直状｜2.5｜2.5｜3.2｜58｜20｜44

针状｜3.8｜3.8｜1.7｜194｜24｜51

### 表面颜色

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散热器的热量透过周围空气的对流、空气传导和辐射传播。

辐射传热是散热器温度和散热器光耦合周围环境温度的函数。当这两个温度都在 0 °C 到 100 °C 的范围内时，与对流相比，辐射的贡献通常很小，而这个因素通常被忽略。在这种情况下，无论是在自然对流或强制流动下运作的翅片散热器都不会受到表面发射率的显著影响。

在对流较低的情况下，例如气流较低的平坦无翅片面板，辐射冷却可能是一个重要因素。这里的表面特性可能是重要的设计因素。雾面黑色表面的辐射效率比闪亮的裸露金属高得多。有光泽的金属表面发射率较低。材料的发射率很大程度上取决于频率，并且与吸收率有关（闪亮的金属表面的吸收率很小）。

在真空或外太空中，没有对流传热，因此在这些环境中，辐射是控制散热器和环境之间热流的唯一因素。对于太空中的卫星来说，其面向太阳的 100C 表面将吸收大量辐射热，因为太阳表面温度接近 6000K，而面向深空的相同表面将辐射大量热量，因为深空的有效温度只有几克耳文。

## 工程学应用

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### 微处理器冷却

散热是电子产品和电路不可避免的副产品。一般来说，设备或组件的温度将取决于组件对环境的热阻，以及组件散发的热量。为了确保组件不会过热，热工程师寻求找到从设备到环境的有效热传递路径。传热路径可以是从组件到印刷电路板 (PCB)、到散热器、到风扇提供的气流，但在所有情况下，最终都会到达环境。

另外两个设计因素也会影响热设计的热或机械性能：

- 将散热器安装在组件或处理器上的方法。这将在附着方法一节中讨论。
- 对于相互接触的两个物体之间的每个界面，界面上都会出现温度降。对于这样的复合系统，界面上的温降可能是可观的。11这种温度变化可能归因于所谓的接触热阻。11热界面材料 (TIM) 降低了接触热阻。

#### 附着方法

随着组件功耗的增加和组件封装尺寸的减小，热工程师必须进行创新以确保组件不会过热。运行温度较低的设备使用寿命更长。散热器设计必须同时满足其散热和机械要求。对于后者，组件必须在合理的冲击和振动下与其散热器保持热接触。散热器可以是电路板的铜箔，也可以是安装在元件或电路板上的单独散热器。连接方法包括导热胶带或环氧树脂、线形Z-clip、扁平弹簧夹、支座垫片和安装后末端会膨胀的推销。

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##### 导热胶带

导热胶带是最具成本效益的散热器附着材料之一。它适用于低质量散热器和低功耗组件。它由导热载体材料组成，每侧都有压敏粘合剂。

将此胶带粘贴到散热器的底部，然后将其连接到组件上。以下是影响导热胶带性能的因素：

- 组件和散热器的表面必须清洁，没有残留物，例如硅脂薄膜。
- 预紧压力对于确保良好接触至关重要。压力不足会导致与截留空气不接触的区域，并导致界面热阻高于预期。
- 较厚的胶带往往会在不平坦的组件表面上提供更好的“润湿性”。“润湿性”是带在组件上的接触面积百分比。然而，较厚的胶带比较薄的胶带具有更高的热阻。从设计的角度来看，最好通过选择提供最大“润湿性”和最小热阻的胶带厚度来达到平衡。

##### 环氧树脂

环氧树脂比胶带更昂贵，但在散热器和组件之间提供了更好的机械结合，以及提高了导热性。选择的环氧树脂必须为此目的而配制。大多数环氧树脂是由两部分组成的液体配方，在应用于散热器之前和将散热器放置在组件上之前，必须彻底混合。然后环氧树脂将固化指定的时间，该时间可以从 2 小时到 48 小时不等。在更高的温度下可以实现更快的固化时间。涂有环氧树脂的表面必须清洁且没有任何残留物。

散热器和组件之间的环氧树脂键是半永久性/永久性的。这使得返工非常困难，有时甚至是不可能的。返工造成的最典型损坏是组件芯片散热器与其封装的分离。

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##### 线型Z形夹

比胶带和环氧树脂更昂贵的线型Z形夹以机械方式连接散热器。要使用Z形夹，印刷电路板必须有锚。锚可以焊接到板上，也可以推入。任何一种类型都需要在板上设计孔。必须允许使用 RoHS 焊料，因为这种焊料的机械强度低于传统的 Pb/Sn 焊料。

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要使用Z-clip进行组装，请将其一侧连接到其中一个锚点上。使弹簧偏转，直到夹子的另一侧可以放置在另一个锚中。偏转会在组件上产生弹簧负载，从而保持非常好的接触。除了Z形夹提供的机械连接外，它还允许使用更高性能的热界面材料，例如相变类型的。

##### 夹子

可用于处理器和球栅阵列 (BGA) 组件，夹子允许将 BGA 散热器直接连接到组件。夹子利用了由球栅阵列 (BGA) 在元件底面和 PCB 顶面之间产生的间隙。因此，夹子不需要 PCB 上的孔。它们还允许轻松返工组件。

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##### 带压缩弹簧的推销

对于更大的散热器和更高的预紧力，带有压缩弹簧的推销非常有效。推销通常由黄铜或塑料制成，末端有一个与 PCB 上的孔接合的柔性倒钩；安装后，倒钩会保留销钉。压缩弹簧将组件固定在一起并保持散热器和组件之间的接触。在选择图钉尺寸时需要小心。过大的插入力会导致模具开裂和随之而来的组件故障。

##### 带压缩弹簧的螺纹支架

对于非常大的散热器，螺纹支架和压缩弹簧连接方法是无可替代的。螺纹支架本质上是带有内螺纹的中空金属管。一端用螺钉穿过 PCB 上的孔固定。另一端接受压缩弹簧的螺钉，完成组装。典型的散热器组件使用两到四个支架，这往往使其成为最昂贵的散热器附件设计。另一个缺点是需要在 PCB 上打孔。

方法｜优点｜缺点｜成本

导热胶带｜容易连接。价格不贵。｜无法为较重的散热器或高振动环境提供机械连接。必须清洁表面以获得最佳附着力。中等至低导热率。｜非常低

环氧树脂｜强机械附着力。相对便宜。｜使电路板返工变得困难，因为它会损坏组件。必须清洁表面以获得最佳附着力。｜非常低

线型Z形夹｜强机械连接。容易去除或重修。对热界面材料施加预紧力，提高热性能。｜需要板上的孔或焊接锚。比胶带或环氧树脂贵。定制设计。｜低

夹子｜对热界面材料施加预紧力，提高热性能。不需要孔或锚。易于拆卸/返工。｜必须在 BGA 周围为夹子设置“禁区”。额外的组装步骤。｜低

带压缩弹簧的推销｜强大的机械连接。最高的热界面材料预载荷。易于拆卸和安装。｜需要在板上打孔，这会增加 PCB 走线的复杂性。｜中等

带压缩弹簧的螺纹支架｜最强的机械连接。热界面材料的最高预紧力。大型散热器的理想选择。｜需要在板上打孔，这会增加走线布局的复杂性。复杂的组装。｜高

### 发光二极管灯

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发光二极管 (LED) 的性能和寿命是其温度的强函数。因此，有效的冷却至关重要。一个基于 LED 的筒灯的案例研究显示了一个计算示例，以计算有效冷却照明系统所需的散热器。该文章还表明，为了获得对结果的信任，需要多个独立的解决方案来给出相似的结果。具体来说，实验、数值和理论方法的结果都应在 10% 差异以内，以使结果具有较高的可信度。

### 焊接

焊接电路板时有时会使用临时散热器，以防止过热损坏附近敏感的电子设备。在最简单的情况下，这意味着使用重金属鳄鱼夹、止血钳或类似夹子部分夹住组件。设计为通过回流焊接组装的现代半导体器件通常可以承受焊接温度而不会损坏。另一方面，磁簧开关等电气元件如果暴露在较热的烙铁下可能会发生故障，因此这种做法仍然非常流行。

## 外部链接

- 无旋转风扇散热奇迹 – Cooler Pioneer的散热革命