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電子產品散熱器的設計考慮因素

作者:熱設計原創作者 發布日期:2021-05-22 11:17:55
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  上一期我們就大功率LED路燈電子散熱器的主要散熱方式做了詳細的介紹和說明。本期我們簡單的對電子產品散熱器的設計考慮因素進行描述,作為專業的電子散熱器,型材散熱器,插片散熱器生產制造廠家鎮江市凱盛散熱器有限公司,我們將盡心整理并發布各種散熱器相關知識,竭誠為您服務。

  在傳熱學理論中可以看到,增大面積是強化傳熱的有效手段。散熱器的本質就是一個可以在相同空間內擴大傳熱面積的部件。當然,擴大到什么程度,如何擴大,需要綜合許多工程因素。本章來講述為什么這些因素有影響,以及如何考慮這些因素。

  1 散熱器設計需考慮的方面

  散熱器的設計,主要考慮以下幾個方面:

  1) 發熱源熱流密度;

  2) 發熱元器件溫度要求;

  3) 產品內部空間尺寸;

  4) 散熱器安裝緊固力;

  5) 成本考量;

  6) 工業設計要求。

  1.1 發熱源熱流密度

  熱量從發熱元器件到散熱器之間的傳遞方式是熱傳導。通常情況下,散熱器的基板面積會大于發熱元器件的發熱面積。當元器件熱流密度較大時,擴散熱阻(Spreading Resistance)對熱量傳遞的影響就會顯現。擴散熱阻一個簡化直觀的定義是:當熱源與底板的面積相差比較大時,熱量從熱源中心往邊緣擴散所形成熱阻叫擴散熱阻。

  下面通過一個實際的仿真,來描述散熱器設計時需要如何考慮擴散熱阻。
仿真模型圖示

  圖 仿真模型圖示

  主要情景設置:

  1)環境溫度:20 ℃;

  2)冷卻方式:強迫對流;

  3)風量:固定,5 CFM;

  4)芯片功耗:20W;

  5)芯片模型:塊簡化,導熱系數15 W/m.K

  6)散熱器三維尺寸:40 mm•40 mm•20 mm,材質:Al6061;

  7)界面材料:為了顯性化散熱器設計,先不考慮TIM,仿真中不設置TIM;

  8)仿真工具:Flotherm 12.0.

  維持主要場景所有設置,芯片尺寸分別設置為30mm•30mm和10mm•10mm。仿真結果如下:
散熱器底部溫度分布

  圖 散熱器底部溫度分布:芯片尺寸:30mm•30mm(左);芯片尺寸:10mm•10mm(右)

  兩種芯片尺寸下,表面熱流密度分別為:

  30mm•30mm:Pdens = 20/30/30 = 0.022 W/mm2 = 2.22 W/cm2

  10mm•10mm: Pdens = 20/10/10 = 0.2 W/mm2 = 20 W/cm2

  芯片尺寸縮減后,熱流密度增大了9倍。散熱器在沒有做任何變更的前提下,就造成了芯片約20℃的上升。
散熱器界面溫度分布

  圖 散熱器界面溫度分布:左——芯片大小10 mm • 10 mm;右—— 30 mm • 30 mm

  可以看到,由于擴散熱阻的存在,芯片熱流密度大時,散熱器邊緣的溫度會明顯低于貼合芯片處的溫度。散熱器邊緣處的利用效率下降。

  擴散熱阻的詳細理論計算可參考文章:

  http://www.electronics-cooling.com/1998/01/calculating-spreading-resistance-in-heat-sinks/

  結論:同樣一個散熱器,應用于相同的場景,當發熱源的熱流密度增加時,其有效熱阻將增加。

  對于熱流密度比較大的芯片,常見的減小擴散熱阻的方法有以下幾條:

  1)  加厚散熱器的基板,降低熱量在平面方向上的傳輸熱阻;

  2)  使用導熱系數更高的散熱器材料;

  3)  在散熱器基板上埋裝熱管;

  4)  使用VC復合到散熱器基板上。

  本文節選自陳繼良《從零開始學散熱》第六章

  下一期將對電子散熱器的六種散熱方式常識科普做詳細介紹,如需了解更多凱盛散熱器的信息,請持續關注。

  電子產品散熱器的設計考慮因素由電子散熱器生產銷售廠家鎮江市凱盛散熱器有限公司于 2021-05-22 11:17:55 整理發布。

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