【阅读摘要】关于散热器的一些知识点

1.散热器的最佳参数

在设计肋片时根据肋片形式的不同，肋片高度是有一定限度的，随着肋高的增加，其表面局部散热量不断减少。对于高而薄的肋片，其肋端处的散热能力很小。

进一步分析达到最佳条件时所需的断面（纵剖面）面积公式，可以得出三条重要结论：

1)当材料、环境条件（α）和肋基过余温度之比相同时，三角形断面所用材料质量只是矩形断面的69%。因此，只要工艺条件许可，应尽量采用三角形断面肋。

2)断面面积和肋的面积，随热流量的三次方增加。因此，如果希望散热量加倍的话，可选用两个与原肋片相同的肋片或采用一个断面面积为原肋片8倍的新肋片。显而易见，设计者应采用多个小肋片方案，而不应采用少数大的肋片。当然，肋片数目也不能无限增多，其极限数目受边界层厚度及允许流动阻力的限制。

3)断面面积与肋材料的导热系数λ成反比，肋的总质量与断面面积及所用材料的密度ρ成正比。因此，肋的质量与密度ρ成正比，与导热系数λ成反比。

三种形状直肋的最佳参数值

在设计航空航天器上电子设备的散热器时，在考虑散热效率的同时还应兼顾减轻肋片质量的要求。这样ρ/λ比较小的材料优先使用。铜材的ρ/λ值约为铝材的1.95倍。

2.散热器在工程应用中的若干问题

 

Rca——外热阻,元件壳体直接向周围环境排散热量的热阻，由于这个热阻通常很大，晶体管的外壳很小，所以忽略这条散热路径对结果影响不大。

Rjc——内热组

Rcs——安装热阻，元件壳体至散热器的热阻，通常包括垫片热阻Rw和接触热阻Rco

Rsa——散热器热阻

 

所以总热阻可改写为Rt=Rjc+Rcs+Rsa

 

Rjc是结点至元件壳体的热阻，该热阻由元件制造商采用的内部结构设计（如芯片、封装和管座的组成材料、结构尺寸）和制造工艺来确定。由于这个热阻发生在元件内部，肋片散热器或者其他外部散热结构对其没有影响，故亦称其为内热组。半导体制造商通过计算最大允许结温、元件成本和元件功耗来确定该热阻。特殊用途的芯片采用昂贵的引脚形式以及采用导热性能好的陶瓷和金刚石平板散热器可以进一步降低Rjc。

Rcs是元件壳体至散热器安装面之间的安装热阻。在任何情况下，Rcs可以通过使用导热脂、导热垫片、环氧树脂和增大接触压力来减小。

 

电子元器件是否能够正常工作，除元器件本身质量的好坏外，在很大程度上还取决于元器件与散热器的合理匹配和安装接触面的导热条件。所以，散热器的选配方法与安装工艺是电子元器件可靠应用的重要环节。

 

3.散热器与元器件的合理匹配

1.合理选择散热器的形式

从外形上看，电子元器件常用的散热器可分为两类，一类是平板型散热器（散热板），其结构简单，容易自制，但散热效果较差，且所占面积较大。另一类是经过加工成型、构成系列化产品的散热器，如型材散热器（中功率）、叉指型散热器（中小功率）、扇顶型散热器（毫瓦级晶体管）和塑封器件专用散热器等，这类散热器的散热效果好，易于安装，适合进行大批量生产，但成本较高。

 

2.降低安装热阻R_CS

安装热阻Rcs由垫片热阻和接触热阻两部分构成。为了实现散热器与元器件壳体之间的电隔离或良好的电接触，常在散热器与壳体之间夹入绝缘垫片或导电垫片。绝缘垫片一般采用云母、聚酯薄膜、氧化铍或氧化铝瓷片等材料，最常见的绝缘垫片是选用0.05m厚的云母或聚酯片，其热阻分别为1.10K/W和0.59K/W。导电垫片通常采用铝箔或铜箔等

接触热阻与接触表面的不平度、粗糙度和散热器的安装方式有关。散热器与元器件接触面的不平度应不超过0.001mm/mm，表面粗糙度不低于Ra=0.8μm。为了改善接触热阻，安装散热器前涂抹一层硅脂。

 

3.降低散热器热阻Rsa

散热器一般应采用导热系数高的材料制成，一般可用铝板或铜板。在截面积和厚度相同的条件下，以铜板的散热效果最好。但一般多采用铝板，因为铝板的散热性能仅低于铜板，而质量比铜板轻很多，而且成本也远低于铜板。

 

在自然冷却条件下，对于散热器除了考虑导热和对流散热以外，还要考虑辐射散热，可通过对散热器表面进行处理来增加辐射散热能力。例如可在外表面涂上高发射率的涂料，或采用化学发黑的方法来增加辐射散热能力。对于铝或铝合金，常采用化学方法包括黑色样机氧化和镀铬酸盐等。

From《电子设备热设计及分析技术》_余建祖