散熱片

散熱片是一種以複合的熱交換模式來散熱的東西，它在電子工程設計的領域中被歸類為「被動性散熱元件」，以導熱性佳、質輕、易加工之金屬（多為鋁或銅，銀則過於昂貴，一般不用）製成，並且貼附於發熱物體表面。

散熱片不需要額外的驅動能源就能執行散熱，是最典型的被動性散熱元件。除此之外熱導管（heat pipe）也是近年來日益普及與推崇的被動性散熱元件，至於主動式散熱元件則有散熱風扇（用馬達、電力驅動）、水冷循環等。

為了強化散熱片的散熱效率，一般還會採取兩個手段，一是與發熱表面間不採行直接貼附接觸，而是在兩接面間追加塗抹「導熱膏」，導熱膏能夠加強熱傳導效率，勝過兩金屬直接貼觸，另一則是增加散熱片的散熱面積，增加面積的方式即是將散熱片以溝槽化方式設計，以溝槽來增加散熱面積。

## 傳熱原理

散熱器將熱能從高溫設備轉移到低溫流體介質。流體介質通常是空氣，但也可以是水、冷媒甚至油。如果流體介質是水，散熱器通常被稱為冷板。在熱力學中，散熱器是一種可以吸收任意熱量而不會顯著改變溫度的熱庫。電子設備的實際散熱器必須具有高於周圍環境的溫度，才能透過對流、輻射和傳導傳遞熱量。電子設備的電源並不是絕對高效的，因此會產生多餘的熱量，這可能會損害設備的功能。因此，設計中包含了散熱器來散熱。

傅氏熱傳導定律表明，當物體內部存在溫度梯度時，熱量會從溫度較高的區域傳遞到溫度較低的區域。熱量透過傳導傳遞的速率， $q_k$，與溫度梯度和熱量傳遞的橫截面積的乘積成正比。當將其簡化為x方向的一維形式時，可以表示為：

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

對於管道中的散熱器，當空氣流過管道時，散熱器底座通常比流過管道的空氣更熱。對於穩態條件，將能量守恆定律和牛頓冷卻定律應用於圖中所示的溫度節點，可得到下列方程組：

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

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

where

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

$\dot{m}$ 是空氣質量流量，單位為 kg/s

$c_{p,\text{in}}$ 是進入空氣的比熱容，單位為 J/(kg °C)

${R_\text{hs}}$ 是散熱器的熱阻

使用平均空氣溫度是一個對於相對較短的散熱器有效的假設。計算緊湊型熱交換器時，使用對數平均空氣溫度。

上述方程式顯示：

- 當流過散熱器的空氣減少時，就會導致平均空氣溫度升高。這反過來又會增加散熱器的基準溫度。另外散熱器的熱阻也會增加。最終結果是散熱器基底溫度升高。

本文後面將顯示散熱器熱阻隨流速降低而增加的情況。

- 入口空氣溫度與散熱器基準溫度密切相關。例如，如果產品中有空氣再循環，則入口空氣溫度不是環境空氣溫度。因此散熱器的入口空氣溫度較高，這也導致散熱器基底溫度較高。
- 如果散熱器周圍沒有氣流，能量就無法傳輸。
- 散熱器並不是一種「像海綿一樣吸收熱量並將其送到平行宇宙的神奇能力」的裝置。

自然對流需要空氣在散熱器上自由流動。如果散熱片沒有垂直對齊，或者散熱片之間的距離太近，導致它們之間沒有足夠的空氣流通，那麼散熱器的效率就會下降。

## 設計因素

### 熱阻

對於各種消費和工業電子產品中使用的半導體裝置，熱阻的概念簡化了散熱器的選擇。半導體晶片和周圍空氣之間的熱流被建模為一系列熱流阻力；從晶片到設備外殼、從外殼到散熱器以及從散熱器到周圍空氣都存在阻力。這些電阻的總和是從晶片到周圍空氣的總熱阻。熱阻定義為每單位功率的溫升，類似於電阻，以每瓦攝氏度(°C/W)為單位表示。如果知道裝置的耗散功率（單位為瓦特），並計算出總熱阻，那麼就可以計算出晶片相對於周圍空氣的溫升。

半導體散熱器的熱阻的概念是一種近似值。它沒有考慮設備或散熱器上熱量的不均勻分佈。它只模擬熱平衡系統，不考慮溫度隨時間的變化。它也不能反映出輻射和對流相對於溫度上升的非線性。然而，製造商將散熱器和半導體裝置的熱阻典型值製成表格，從而簡化了商業製造的散熱器的選擇。

商用擠壓鋁散熱器的熱阻（散熱器到周圍空氣）範圍從用於TO-3裝置的大型散熱器的0.4 °C/W到用於TO-92小塑膠外殼的夾式散熱器的85 °C/W。TO-3 外殼中流行的2N3055功率電晶體從接面到外殼的內部熱阻為1.52 °C/W。設備外殼和散熱器之間的接觸熱阻可能在0.5 至 1.7 °C/W之間，具體取決於外殼尺寸和油脂或絕緣雲母墊圈的使用情況。

### 材料

散熱器應用的材料應具有高熱容量和熱導率，以便吸收更多的熱能而不會轉向非常高的溫度並將其傳輸到環境中以實現有效冷卻。最常見的散熱器材質是鋁合金。1050 鋁合金具有較高的熱導率值之一，為 229 W/(m·K)，熱容量為922 J/(kg·K)，但機械性能較軟。常用的鋁合金有 6060（低應力）、6061、6063，熱導率值分別為166、201 W/(m·K)。該值取決於合金的韌性。一體式鋁散熱器可以透過擠壓、鑄造、刮削或銑削製成。

銅在導熱性、耐腐蝕性、抗生物淤積和抗菌性方面具有優異的散熱性能（另請參閱熱交換器中的銅）。銅的熱導率約為鋁的兩倍，純銅的熱導率約為 400 W/(m·K)。其主要應用在工業設施、發電廠、太陽能熱水系統、暖通空調系統、燃氣熱水器、強制空氣加熱和冷卻系統、地熱加熱和冷卻以及電子系統。

銅的密度是鋁的三倍，且價格較貴，且延展性不如鋁。一體成型銅散熱器可以透過刮削或銑削製成。金屬片散熱片可以焊接到矩形銅體上。

### 鰭片效率

翅片效率是決定高導熱性材料重要性的參數之一。散熱器的翅片可以看作是一個平板，熱量從一端流入，流向另一端時被耗散到周圍的流體中。當熱量流過翅片時，由於散熱器的熱阻阻礙流動，加上對流造成的熱量損失，翅片的溫度以及因此傳遞給流體的熱量將從翅片的底部到末端降低。翅片效率定義為翅片實際傳輸的熱量除以翅片等溫時的熱傳導（假設翅片具有無限的熱導率）。這些方程式適用於直翅片：

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

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

其中。

hf 為翅片傳熱係數:

空氣中 10 至 100 W /（m2·K）。

水中為 500 至 10,000 W /（m2·K）。

k 為翅片材料的熱傳導率:

鋁為 120 至 240 W /（m·K）。

Lf 為翅片高度（m）。

tf 為翅片高度（m）。

透過降低翅片長寬比（使其更厚或更短），或使用導電性更強的材料（例如，用銅代替鋁）可以提高翅片效率。

### 鰭片佈置

針狀散熱器是一種具有從底座延伸出的針腳的散熱器。銷釘可以是圓柱形、橢圓形或方形。第二種散熱器翅片結構是直翅片。直翅片散熱器的變體是橫切散熱器。第三種類型的散熱器是喇叭狀翅片散熱器，其中翅片彼此不平行。將翅片張開可減少流動阻力，使更多的空氣通過散熱器翅片通道；否則，更多的空氣將會繞過散熱片。傾斜它們可以保持整體尺寸相同，但可以提供更長的鰭。右圖顯示了三種類型的範例。

Forghan 等人 發表了對針狀翅片、直翅片和喇叭翅片散熱器進行的試驗數據。他們發現，當空氣接近速度較低時（通常約 1 公尺/秒），其熱性能比直翅片散熱器至少好 20%。Lasance 和 Eggink 還發現，在他們測試的旁路配置中，喇叭口散熱器的性能優於其他經過測試的散熱器。

一般來說，散熱器的表面面積越大，其性能越好。實際性能取決於設計和應用。針翅散熱器的概念是在任意流體流動方向上工作時，在給定的體積內填充盡可能多的表面積。Kordyban 比較了類似尺寸的針翅式散熱器和直翅片散熱器的性能。雖然針狀翅片的表面面積為 194 cm2，而直翅片的表面積為 58 cm2，但對於針狀翅片來說，散熱器底座與周圍空氣之間的溫差為 50 ℃，而對於直翅片來說，散熱器底座與周圍空氣之間的溫差為 44 ℃，比針狀翅片好 6 ℃在最佳應用中，流體沿著針腳軸向流動而不是僅沿針腳切向流動，此時針翅散熱器的性能明顯優於直翅片。

散熱片類型｜寬度 cm｜長度 cm｜高度 cm｜表面積 cm2｜體積 cm3｜溫差, T外殼e − T空氣 °C

直狀｜2.5｜2.5｜3.2｜58｜20｜44

針狀｜3.8｜3.8｜1.7｜194｜24｜51

### 表面顏色

散熱器的熱量透過周圍空氣的對流、空氣傳導和輻射傳播。

輻射傳熱是散熱器溫度和散熱器光耦合周圍環境溫度的函數。當這兩個溫度都在 0 °C 到 100 °C 的範圍內時，與對流相比，輻射的貢獻通常很小，而這個因素通常被忽略。在這種情況下，無論是在自然對流或強制流動下運作的翅片散熱器都不會受到表面發射率的顯著影響。

在對流較低的情況下，例如氣流較低的平坦無翅片面板，輻射冷卻可能是一個重要因素。這裡的表面特性可能是重要的設計因素。霧面黑色表面的輻射效率比閃亮的裸露金屬高得多。有光澤的金屬表面發射率較低。材料的發射率很大程度上取決於頻率，並且與吸收率有關（閃亮的金屬表面的吸收率很小）。

在真空或外太空中，沒有對流傳熱，因此在這些環境中，輻射是控制散熱器和環境之間熱流的唯一因素。對於太空中的衛星來說，其面向太陽的 100C 表面將吸收大量輻射熱，因為太陽表面溫度接近 6000K，而面向深空的相同表面將輻射大量熱量，因為深空的有效溫度只有幾克耳文。

## 工程學應用

### 微處理器冷卻

散熱是電子產品和電路不可避免的副產品。一般來說，設備或組件的溫度將取決於組件對環境的熱阻，以及組件散發的熱量。為了確保組件不會過熱，熱工程師尋求找到從設備到環境的有效熱傳遞路徑。傳熱路徑可以是從組件到印刷電路板 (PCB)、到散熱器、到風扇提供的氣流，但在所有情況下，最終都會到達環境。

另外兩個設計因素也會影響熱設計的熱或機械性能：

- 將散熱器安裝在組件或處理器上的方法。這將在附著方法一節中討論。
- 對於相互接觸的兩個物體之間的每個界面，界面上都會出現溫度降。對於這樣的複合系統，界面上的溫降可能是可觀的。11這種溫度變化可能歸因於所謂的接觸熱阻。11熱界面材料 (TIM) 降低了接觸熱阻。

#### 附著方法

隨著組件功耗的增加和組件封裝尺寸的減小，熱工程師必須進行創新以確保組件不會過熱。運行溫度較低的設備使用壽命更長。散熱器設計必須同時滿足其散熱和機械要求。對於後者，組件必須在合理的衝擊和振動下與其散熱器保持熱接觸。散熱器可以是電路板的銅箔，也可以是安裝在元件或電路板上的單獨散熱器。連接方法包括導熱膠帶或環氧樹脂、線形Z-clip、扁平彈簧夾、支座墊片和安裝後末端會膨脹的推銷。

##### 導熱膠帶

導熱膠帶是最具成本效益的散熱器附著材料之一。它適用於低質量散熱器和低功耗組件。它由導熱載體材料組成，每側都有壓敏粘合劑。

將此膠帶粘貼到散熱器的底部，然後將其連接到組件上。以下是影響導熱膠帶性能的因素：

- 組件和散熱器的表面必須清潔，沒有殘留物，例如矽脂薄膜。
- 預緊壓力對於確保良好接觸至關重要。壓力不足會導致與截留空氣不接觸的區域，並導致界面熱阻高於預期。
- 較厚的膠帶往往會在不平坦的組件表面上提供更好的「潤濕性」。「潤濕性」是帶在組件上的接觸面積百分比。然而，較厚的膠帶比較薄的膠帶具有更高的熱阻。從設計的角度來看，最好通過選擇提供最大「潤濕性」和最小熱阻的膠帶厚度來達到平衡。

##### 環氧樹脂

環氧樹脂比膠帶更昂貴，但在散熱器和組件之間提供了更好的機械結合，以及提高了導熱性。選擇的環氧樹脂必須為此目的而配製。大多數環氧樹脂是由兩部分組成的液體配方，在應用於散熱器之前和將散熱器放置在組件上之前，必須徹底混合。然後環氧樹脂將固化指定的時間，該時間可以從 2 小時到 48 小時不等。在更高的溫度下可以實現更快的固化時間。塗有環氧樹脂的表面必須清潔且沒有任何殘留物。

散熱器和組件之間的環氧樹脂鍵是半永久性/永久性的。這使得返工非常困難，有時甚至是不可能的。返工造成的最典型損壞是組件晶片散熱器與其封裝的分離。

##### 線型Z形夾

比膠帶和環氧樹脂更昂貴的線型Z形夾以機械方式連接散熱器。要使用Z形夾，印刷電路板必須有錨。錨可以焊接到板上，也可以推入。任何一種類型都需要在板上設計孔。必須允許使用 RoHS 焊料，因為這種焊料的機械強度低於傳統的 Pb/Sn 焊料。

要使用Z-clip進行組裝，請將其一側連接到其中一個錨點上。使彈簧偏轉，直到夾子的另一側可以放置在另一個錨中。偏轉會在組件上產生彈簧負載，從而保持非常好的接觸。除了Z形夾提供的機械連接外，它還允許使用更高性能的熱界面材料，例如相變類型的。

##### 夾子

可用於處理器和球柵陣列 (BGA) 組件，夾子允許將 BGA 散熱器直接連接到組件。夾子利用了由球柵陣列 (BGA) 在元件底面和 PCB 頂面之間產生的間隙。因此，夾子不需要 PCB 上的孔。它們還允許輕鬆返工組件。

##### 帶壓縮彈簧的推銷

對於更大的散熱器和更高的預緊力，帶有壓縮彈簧的推銷非常有效。推銷通常由黃銅或塑料製成，末端有一個與 PCB 上的孔接合的柔性倒鉤；安裝後，倒鉤會保留銷釘。壓縮彈簧將組件固定在一起並保持散熱器和組件之間的接觸。在選擇圖釘尺寸時需要小心。過大的插入力會導致模具開裂和隨之而來的組件故障。

##### 帶壓縮彈簧的螺紋支架

對於非常大的散熱器，螺紋支架和壓縮彈簧連接方法是無可替代的。螺紋支架本質上是帶有內螺紋的中空金屬管。一端用螺釘穿過 PCB 上的孔固定。另一端接受壓縮彈簧的螺釘，完成組裝。典型的散熱器組件使用兩到四個支架，這往往使其成為最昂貴的散熱器附件設計。另一個缺點是需要在 PCB 上打孔。

方法｜優點｜缺點｜成本

導熱膠帶｜容易連接。價格不貴。｜無法為較重的散熱器或高振動環境提供機械連接。必須清潔表面以獲得最佳附著力。中等至低導熱率。｜非常低

環氧樹脂｜強機械附著力。相對便宜。｜使電路板返工變得困難，因為它會損壞組件。必須清潔表面以獲得最佳附著力。｜非常低

線型Z形夾｜強機械連接。容易去除或重修。對熱界面材料施加預緊力，提高熱性能。｜需要板上的孔或焊接錨。比膠帶或環氧樹脂貴。定製設計。｜低

夾子｜對熱界面材料施加預緊力，提高熱性能。不需要孔或錨。易於拆卸/返工。｜必須在 BGA 周圍為夾子設置「禁區」。額外的組裝步驟。｜低

帶壓縮彈簧的推銷｜強大的機械連接。最高的熱界面材料預載荷。易於拆卸和安裝。｜需要在板上打孔，這會增加 PCB 走線的複雜性。｜中等

帶壓縮彈簧的螺紋支架｜最強的機械連接。熱界面材料的最高預緊力。大型散熱器的理想選擇。｜需要在板上打孔，這會增加走線布局的複雜性。複雜的組裝。｜高

### 發光二極體燈

發光二極體 (LED) 的性能和壽命是其溫度的強函數。因此，有效的冷卻至關重要。一個基於 LED 的筒燈的案例研究顯示了一個計算示例，以計算有效冷卻照明系統所需的散熱器。該文章還表明，為了獲得對結果的信任，需要多個獨立的解決方案來給出相似的結果。具體來說，實驗、數值和理論方法的結果都應在 10% 差異以內，以使結果具有較高的可信度。

### 焊接

焊接電路板時有時會使用臨時散熱器，以防止過熱損壞附近敏感的電子設備。在最簡單的情況下，這意味著使用重金屬鱷魚夾、止血鉗或類似夾子部分夾住組件。設計為通過回流焊接組裝的現代半導體器件通常可以承受焊接溫度而不會損壞。另一方面，磁簧開關等電氣元件如果暴露在較熱的烙鐵下可能會發生故障，因此這種做法仍然非常流行。

## 外部連結

- 無旋轉風扇散熱奇蹟 – Cooler Pioneer的散熱革命