电子第三讲肋片散热器课件

1、Copyright 2008 BeiHang University肋片散热器肋片散热器Heat SinksHeat Sinks新主楼新主楼C座座1006室室Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计主要内容主要内容来由来由性能性能优化优化选择与设计选择与设计材料材料加工工艺加工工艺Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计Heat SinksHeat SinksCopyright 2010 BeiHang University电子设备热设计肋片散热器肋片散热器(heat sinks)(heat sinks)的来由的来由

2、Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计Newtons law of cooling: Q = h . A . (Tw - Tf)增强传热的方式增强传热的方式增加传热面积增加传热面积增强表面对流换热系数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。散热量最大可增加一个数量级。Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计最简单的形式最简单的形式Copy

3、right 2010 BeiHang University电子设备热设计Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计肋片散热器肋片散热器(heat sinks)(heat sinks)的性能的性能Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计散热效率散热效率Heat sink efficiency is defined as: = Q / (m.c.D DTsA)Q = the total heat flow 热流热流m = the air mass flow rate 气流质量流量气流质量流量c = the specifi

4、c heat of the cooling fluid, and 冷冷空气热容空气热容D DTsA = average temperature difference between heat sink and cooling fluid 散热器与冷空气之间的平散热器与冷空气之间的平均温差均温差Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计肋片散热器的传热分析假设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肋片上任何一点的温度不随时间变化；变化； 肋片材料的材质均匀，导热系数肋片材料的材质均匀，导热系数为常数；为常数； 肋片与环境之间的对流换热表面肋片

5、与环境之间的对流换热表面传热系数为常数；传热系数为常数； 周围环境流体的温度为常数；周围环境流体的温度为常数； 肋片仅在其高度方向有温度梯度；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；在肋片根部不存在接触热阻； 肋片根部温度均匀且为常数；肋片根部温度均匀且为常数； 肋片内部无热源；肋片内部无热源； 忽略肋端面和侧面的对流换热。忽略肋端面和侧面的对流换热。Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计肋片效率肋片效率 肋片实际散热量肋片实际散热量 与理想情况（即假定肋片材料与理想情况（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的导热

6、系数为无限大，肋片上任一点温度均等于肋根温度）下散热量肋根温度）下散热量 之比之比流体流过肋片散热器时热阻为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。片根部基壁表面对传热的影响。 0fff1AR 0Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计肋片表面效率肋片表面效率 有效传热面积与总传热面积之比有效传热面积与总传热面积之比 带肋片壁面换热热阻为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

7、在表面效率上。导热热阻，后者反映在表面效率上。 )1 (1)(1ffffp0AAAAA01AR Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计m m值的意义值的意义肋片材料和流体物性的函数肋片材料和流体物性的函数 为横截面周长，为横截面周长， 为横截面面积为横截面面积 cAUmUcACopyright 2010 BeiHang University电子设备热设计肋片散热器肋片散热器(heat sinks)(heat sinks)的优化的优化Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计肋片参数的优化肋片参数的优化随着肋片高度的

8、增加，肋片的散热量必定增加随着肋片高度的增加，肋片的散热量必定增加 ？c0fth()()mhA m tt1ch()mhth()mhf0fhf0c)(ttttttmA)ch(1f0fmhttttCopyright 2010 BeiHang University电子设备热设计剖面剖面型线型线剖面剖面面积面积系数系数最佳最佳关系关系表面表面效率效率最佳最佳条件条件剖面剖面面积面积最佳最佳肋根肋根厚厚最佳最佳肋高肋高11.4190.6270.500.6320.7980.51.3090.5940.347 0.8280.8420.331.4140.5020.3331.01.020yhxy2020)(2hx

9、ymhCopyright 2010 BeiHang University电子设备热设计v散热器的基板厚度优选散热器的基板厚度优选Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计v不同风速下散热器齿间距选择方法不同风速下散热器齿间距选择方法Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计v不同翅片厚度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Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计Tj=73.5CTj=70.8CTj=68.1CTj=67.1C0.5”x0.6”x0.5”0.5”

10、x1.5”x0.5”1.5”x0.6”x0.5”0.5”x0.6”x1.5”宽度加倍，散热能力加倍宽度加倍，散热能力加倍finfin的长度加倍，散热能力为的长度加倍，散热能力为1.41.4倍倍Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计Tj=64.0CTj=63.7C1.5”x1.5”x1.6”2.0”x2.0”x1.6”Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计Tj=73.5CTj=70.8CTj=68.1CTj=67.1CTj=64.0CTj=63.7CAluminumCopper1.5”x1.5”x1.6”1.5”

11、x1.5”x1.6”Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计优化软件优化软件Cool-CAT, a free heat sink design software from AAVID, Inc.Qfin, distributed by Applied Thermal TechnologiesCool-CAT 需要输入的参数有需要输入的参数有散热器的尺寸散热器的尺寸fin的数目和厚度的数目和厚度散热器的高度散热器的高度芯片的功耗芯片的功耗平均气流速度平均气流速度输出有输出有fin数目变化时散热器的效率数目变化时散热器的效率散热器的总体热阻散热器的总体热阻C

12、opyright 2010 BeiHang University电子设备热设计肋片散热器肋片散热器(heat sinks)(heat sinks)的选择与设计的选择与设计Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计To select a heat sink for a given application, we must consider four things:针对给定的应用选择散热器，我们必须考针对给定的应用选择散热器，我们必须考虑以下四点：虑以下四点：The overall thermal resistance from junction to air

13、, Rja 从结点到空气的热阻从结点到空气的热阻The available space 允许空间允许空间The amount of airflow available 可能的空可能的空气流量气流量Cost of the heat sink 散热器的成本散热器的成本The overall thermal resistance is defined as: 整体的热阻为：整体的热阻为：Rja = (Tj - Tamb)/P = Rjc + Rcs + RsaCopyright 2010 BeiHang University电子设备热设计通常通常Rja随着下列因素提高而降低：随着下列因素提高而降低：

14、heat sink size 散热器的尺寸散热器的尺寸fin数目数目air velocity around the heat sink 散热器周围空气流速散热器周围空气流速对于给定的散热器，对于给定的散热器，Rja随着气流速度提高而降低，到了一定程随着气流速度提高而降低，到了一定程度，度，Rja降低量可以忽略不计，原因是边界层已完全形成。降低量可以忽略不计，原因是边界层已完全形成。Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计Volumetric Heat Sink Resistance(= Heat sink volume * RCA)(RcA is cas

15、e to ambient resistance)Flow condition, m/scm3-C/WIn3-C/WNatural convection500-80030-501.0150-25010-152.580-1505-105.050-803-5Heat Sink Resistance 散热器的热阻散热器的热阻Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于0.039W/cm0.039W/cm2 2，可采用自然风冷。，可采用自然风冷。对通风条件较恶劣的场合：散热器表

16、面的热流密度小对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于于0.024W/cm0.024W/cm2 2，可采用自然风冷。，可采用自然风冷。对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于0.039W/cm0.039W/cm2 2而小于而小于0.078W/cm0.078W/cm2 2，必须采用强迫风冷。，必须采用强迫风冷。对通风条件较恶劣的场合：对通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度大散热器表面的热流密度大于于0.024W/cm0.024W/cm2 2而小于而小于0.078W/cm0.078W/cm2 2，必须采用强迫风冷。，必须采用强迫风

17、冷。散热器冷却方式的判据散热器冷却方式的判据Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计主动和被动散热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，液氮制冷等等缩机制冷，液氮制冷等等 Copyright 2010 BeiHang University

18、电子设备热设计 通常散热器的设计分为三步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。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、基板厚度进行优化。形状、齿间距、基板厚度进行优化。 3:进行校核计算。进行校核计算。散热器设计的步骤散热器设计的步骤Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计自然冷却散热器的设计注意事项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，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

19、交叉，影响齿表面的对流，所以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一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm12mm，如果散热器齿高低于如果散热器齿高低于10mm10mm，可按齿间距，可按齿间距1.21.2倍齿高来倍齿高来确定散热器的齿间距。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。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

20、散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。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，建议大于击，建议大于5mm5mm以上。以上。Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计强迫冷却散热器的设计注意事项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在散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于0.5mm0.5mm。增加散热器

21、的齿片数。目前国际上先进的挤压设备及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工艺已能够达到2323的高宽比，国内目前高宽比最大只的高宽比，国内目前高宽比最大只能达到能达到8 8。对能够提供足够的集中风冷的场合，建议采。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，其齿间距最小可到用低温真空钎焊成型的冷板，其齿间距最小可到2mm2mm。采用针状齿的设计方式，增加流体的扰动，提高散热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。齿间的对流换热系数。当风速大于当风速大于1m/s(200CFM)1m/s(200CFM)时，可完全忽略浮升力对表时

22、，可完全忽略浮升力对表面换热的影响。面换热的影响。 Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计v在一定的冷却体积及流向长度下，确定散热器齿片最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佳间距的大小的方法 不同冷却条件及流向长度与散热齿片最佳齿间距的关系 3.532.525.0m /s(1000)543.32.52.5m /s(500)76541.0m /s(200)13107.56.5自然冷却30022515075流向长度(mm )冷却条件Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计v不同形状、不同

23、的成型方法的散热器的传热效率比较不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较表1 不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率很高7890针装散热器/钎焊/插片成型散热器(冷板散热器)高4548小齿间距铝型材较高2532铲齿散热器较低1522带翅片的压铸散热器/常规铝型材低1018冲压件/光表面散热器成本参考传热效率，散热器成型方法Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计肋片散热器的材料肋片散热器的材料Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计Heat sink materialThermal Conductivit

24、y(W/m-C)Thermal Coefficientof Expansion, TCE(ppm/C)Kovar16.55.5Copper39716.5Aluminum17923.2Aluminum siliconcarbide2306.7Tungsten copper2307Molybdenum1374.8Carbon composite7482-12Copper-molybdenum-copper (1:6:1)2085.7Thermal Properties of Heat Sink Materials散热器材料热特性散热器材料热特性Copyright 2010 BeiHang Univ

25、ersity电子设备热设计肋片散热器底座与翅片材料需求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散热器所要做的的就是要将聚集CPU Die中的热中的热量传导到更大的热导体并通过巨大的散热面积与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，散热片的底座空气进行热交换。在这个过程中，散热片的底座是与是与CPU接触并聚集热量的地方，而翅片则是热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，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。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

26、底座在短时间内能尽可能多的吸收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两个重要的参数。和热传导系数是两个重要的参数。 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

27、用最多的材料。相容易加工，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。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底面可以快速吸收CPU释放的热量；铝制鳍片可以释放的热量；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，这在各方面找到提供较大的储热空间

28、并快速释放，这在各方面找到了的一个均衡点。了的一个均衡点。Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计肋片散热器底座与翅片材料需求肋片散热器底座与翅片材料需求同样体积的散热材料，铜的重量是铝的同样体积的散热材料，铜的重量是铝的3倍；而铝的倍；而铝的比热仅为铜的比热仅为铜的2.3倍。所以相同体积下，铜散热片可倍。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，铜不但可以快速引走块厚度的底部，铜不但可以快速引走CPU Die的温的温度，自己的温度上升也比铝的散热片缓慢。因此铜度，自己

29、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。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）。（即两种金属之间由于不充分接触而产生的热阻）。 Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计肋片散热器的加工工艺肋片散热器的加工工艺Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计lTypes of Heat Sinks av

30、ailable:现有的散现有的散热器种类：热器种类：uStampings 冲压冲压uExtrusions 拉伸拉伸uBonded/Fabricated 粘接粘接uFolded 折叠折叠uLiquid-cooled cold plates 液体冷板液体冷板uCasting 铸造铸造Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计lStamping Heat Sinks:冲压散热器冲压散热器uare made 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铜片或铝片可用压印的方式制成所需的形状ulow cos

31、t, high volume solution for low power applications成本低，适合批量供应，可用于低热密度成本低，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。此可进一步降低成本。Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计lExtrusion Heat Sinks:拉伸（挤型）散热器拉伸（挤型）散热器u将铝锭高温加热至约将铝锭高温加热至约 520540，在高压下让铝液流，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

32、再对散热片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。初胚进行裁剪、剖沟等处理。umay be used for large wattage loads大发热量大发热量ucan 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可由横切的方式产生各种形式的针状翅片uLimited by height-to-gap ratio and fin thickness that can be achieved by machining高宽比限制可高至高宽比限制可高至6，使用特殊磨具设计可达，使用

33、特殊磨具设计可达10Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计Cross-cut Extruded Heat SinkCross-cut Extruded Heat Sink(May be used when flow is not in one direction)(May be used when flow is not in one direction)Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计lBonded/Fabricated Heat Sinks: 粘接（接粘接（接着）散热器着）散热器u接着散热片将鳍片组装

34、于散热片底部，接着剂对散热片的效接着散热片将鳍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，热胶或是焊锡。接着散热片的底部由于需特别加工，uNo 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下可大量增加冷却效率u插齿技

35、术和回流焊技术插齿技术和回流焊技术Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计Bonded-fin Heat SinkBonded-fin Heat Sink(May be used for large surface area needs)Copyright 2010 BeiHang University电子设备热设计lFolded-Fin Heat Sinks: 折叠折叠-fin散热器散热器uThin corrugated sheet metal bonded or brazed to base metal折迭散热片将金属片折迭成鳍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式焊接于散热片底部，因此在接口上造成额外的热阻uAre low profile heat sinksCopyright 2010 BeiHang University电子设备热设计Folded-Fin Heat Sink Folded-Fin Heat Sink (may be used for increased surface area)(may be used for increased