散熱器是最重要的熱設計物料之一。本章來講述散熱器設計應當注意的事項。

散熱器散熱器的設計，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。

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。結果暫僅通過仿真呈現。趨勢上可以作為參考，量化的精準結果還需要實際測試。

主要情景設置：

環境溫度：20 C；

冷卻方式：強迫對流；

風量：固定，5 CFM；

芯片功耗：20W；

芯片模型：塊簡化，導熱系數15 W/m.K

散熱器三維尺寸：40 mm*40 mm*20 mm

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。

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：

兩種芯片尺寸下，熱流密度分別為：

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

10 mm * 10 mm: 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8C的上升。散熱器的熱阻從2.18 C/W升高到2.59 C/W，散熱器整體熱阻惡化了19%。

10 mm * 10 mm芯片散熱器界面溫度分布

                

30 mm * 30 mm芯片散熱器界面溫度分布

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；

1)          使用VC復合到散熱器基板上。

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參考資料：

陳繼良：從零開始學散熱.第四版.第一章

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