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散热片,散热片的种类,应用方式,材料,设计考虑

2014-5-12 1:03:25点击:
散热片散热片 的供应商是为了帮助积体电路消散运作时所产生的热,以提 高工作效能的散热装置,随着电子科技的发展及晶圆制程的提升,电子元件的效能相对提高,而单位体积 所发出的热量亦越来越多,为了维持其正常的工作状态,热交换的动作也就相当的重 要。各种不同的冷却技术如水冷、 冷冻循环以及浸入式沸腾冷却等都可能用来解决散热问题。 尽管如此, 散热片 仍是最经济、 最可靠的散热方式。 目录散热片的种类散热片的应用方式散热片的材料散热片的设计考虑散热片
散热片的种类
  1. 压印(Stampings)散热片 铜片 或铝片 可用压印的方式制成所需的形状。 此种制程成本低, 适合量产, 可用於低热密度的元件。 而压印的元件在组装上也有自 动化的便利性, 因此可进一步降低成本。  2. 挤型(Extrusion)散热片 挤型的制造方式是由将材料在高压下强制流入模孔中成形而使得固体转换为等截面的连续长条。 挤形是散热片 制造中最广泛使用的方式, 设备投资的经额中等。 可经由横切的方式产生矩形的针状散热片 , 可产生锯齿状的鳍片 以增加 10~20%的效能, 但会降低挤型的速度。 挤型的高宽比限制可高到 6, 使用特殊模具设计时则可到 10 的高宽比。  3. 铸造(Casting)散热片 将熔化的金属加压到金属模中, 以产生精确尺寸的元件。 此技术可产生高密度的针状散热片 。 高的治具费用是最大的成本投资, 但适合大量生产的低元件成本可补回此部分。 铸造散热片 的热传导性会受到固化时气体渗入而产生多孔状而降低。  4. 接着(Bonding)散热片 接着散热片 将鳍片 组装於散热片 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, 一般使用导热胶或是焊锡。 接着散热片 的底部由於需特别加工, 因此会使得成本较高, 但由於制造技术的提升, 以及接着剂的改良, 如热导性的铝填充胶等, 使得接着散热片 的成本降低。 此种制程方式可制造高宽比高的散热片 , 在不增加体积需求下可大量增加冷却效率。  5. 摺叠(Folding)散热片 摺叠散热片 将金属片 摺叠成鳍片 阵列形状, 由於将摺叠的金属片 藉由焊锡及铜焊接的方式焊接於散热片 底部, 因此在介面上造成额外的热阻。 在制作上的步骤增加, 使得成本提升。 而制造小间距的鳍片 也是困难点。 由於增加散热面积, 因此散热效率不错,  6. 改良式的铸造(Modified die-casting)散热片 此种制造方式是传统铸造方式的延伸, 首先将相当薄的压印鳍片 阵列以间格物隔开, 然后以夹具固定, 使散热片 的底部铸造时将鳍片 固定於底部, 而形成散热片 。 此种方式消除了鳍片 及底部材料的介面热阻, 此种制程可提供高的高宽比。  7. 锻造(Forging)散热片   锻造散热片 是用非常高的压力敲击(punch) 方式将金属材料压入模中使鳍片 成形, 可能遇到的制程上的问题是材料会阻碍在模子中, 使得高度不均一, 热锻造比较容易, 而冷锻造可制造较密及较强的鳍片 。 锻造方式的优点包括高强度、 较小的表面粗糙度以及材料的均一性等。 锻造方式的散热片 具有较高的高宽比。  8. 切削(Skiving)散热片 这是一种新的散热片 制程方式, 鳍片 用特殊的刀具加工, 使得弧状的精密薄片 由金属块削出, 由於鳍片 和金属块是相同材料, 因此没有接着散热片 或是摺叠散热片 的缺点。由於制程技术的增进,目 前也可制造出高密度的鳍片。 目 前采用的是 6063 铝, 铜的切削还在实验阶段。 由於切削深度可以相当低, 鳍片 的厚度可以较薄, 可以设计较轻性能较高的散热片 。  9. 机械加工(Machining)散热片 藉由机械加工的方式将材料从金属块中移除以形成鳍片 的形状。最常用的方式是在 CNC 机器上采用一组切割锯,锯子之间有精密的距离, 以切割出鳍片 几何形状。

由於加工时容易造成鳍片 的破坏或卷曲, 因此需二次加工。 优点是容易自 动化, 因此未来仍有使用空间。
散热片的应用方式 

 散热片 的应用方式散热片 的选用, 最简单的方式是利用热阻的概念来设计, 热阻是电子热管理技术中很重要的设计参数, 定义为  R=ΔT / P  其中ΔT 为温度差, P 为晶片晶片 的供应商 之热消耗。 热阻代表元件热传的难易度, 热阻越大,元件得散热效果越差, 如果热阻越小, 则代表元件越容易散热。 IC 封装加装散热片 之后会使得晶片 产生的热大部分的热向上经由散热片 传递, 由热阻所构成之网路来看, 共包括了由热由晶片 到封装外壳之热阻 Rjc, 热由封装表面到散热片底部经由介面材料到散热片 底部之热阻 Rcs, 以及热由散热片 底部传到大气中之热阻 Rsa 三个部分。  Rjc 为封装本身的特性, 与封装设计有关, 在封装完成后此值就固定, 须由封装设计厂提供。  Rjc=(Tj-Tc) / P  Tj 为晶片 介面温度, 一般在微电子的应用为 115℃~180℃, 而在特定及军事的应用上则为 65~80℃。 Ta 的值在提供外界空气时为 35~45℃, 而在密闭空间或是接近其他热源时则可定为 50~60℃。  Rcs 为介面材料之热阻, 与介面材料本身特性有关, 而散热片 设计者则须提供 Rsa 的参数。  Rcs=(Tc-Ts) / P  Rsa=(Ts-Ta) / P  Rcs 和表面光滑度、介面材料的材料特性以及安装压力以及材料厚度有关,由於一般设计时常会忽略介面材料的特性, 因此需特别注意。 由热阻网路来看,可以得到热阻的关系为  Rja=Rjc+Rcs+Rsa=(Tj-Ta) / P  散热片 的作用即是如何使用适当的散热片 使得晶片 的温度 Tj 保持在设定值以下下。 然而散热设计时必须考虑元件的成本, 图三则为几种传统散热片 及元件的成本和性能估算,性能佳的散热片 成本一般较高, 如果散热量较小的设计, 就可以不必用到高性能高成本的散热元件。 散热设计时必须了解散热片 的制作成本及性能的搭配, 才能使散热片 发挥最大效益。
散热片的材料 

 传统散热片 材料为铝, 铝的热传导性可达 209W/m-K, 加工特性佳, 成本低,因此应用非常广。 而由於散热片 性能要求越来越高, 因此对於散热片 材料热传导特性的要求也更为殷切, 各种高传导性材料的需求也越来越高。 铜的热传导率 390W/m-K, 比起铝的传导增加 70%, 而缺点是重量三倍於铝, 每磅的价格和铝相同, 而更难加工。 由於受限於高温的成型限制, 无法和铝同样挤型成形, 而铜的机械加工花更多时间, 使加工机具更易损毁。 然而当应用的场合受限於传导特性为重点时, 铜通常可作为替代之用, 此外利用铜做为散热片 的底部可提升热传扩散的效率, 降低热阻值。  一些增进散热的材料如高导热的 polymer、 碳为基材的化合物, 金属粉沫烧结, 化合的钻石以及石墨等都是目 前受瞩目 的热传导材料。 然而最需要的性质是什麽? 控制的传导性、 高加工性、 低重量、 低热膨胀系数、 低毒性以及更重要的是成本必须低於铝。 许多新材料的物理特性高於铝, 但价格也多了许多倍。  AlSiC 是目 前最新的材料, 混合各种铝合金以制成特殊的物理性质, 控制的热膨胀、 高传导性以及显着的强度使得 AlSiC 更有吸引力, 由於成本的关系, 这种材料一般用在底部及作为功率模组底部和晶片 直接接触的基板。

散热片的设计考虑 

 1. 包络体积  以散热片 的设计而言, 这里介绍一个简易的方法, 也就是包络体积的观念, 所谓包络体积是指散热片 所占的体积, 如果发热功率大,所需的散热片 体积就比较大。 散热片 的设计可就包络体积做初步的设计, 然后再就散热片 的细部如鳍片 及底部尺寸做详细设计。 发热瓦数和包络体基的关系如下式所示。  LogV=1.4xlogW-0.8(Min 1.5cm 3 )  2. 散热片 底部厚度  要使得散热片 效率增加, 散热片 底部厚度有很大的影响, 散热片 底部必须够厚才能使足够的热能顺利的传到所有的鳍片, 使得所有鳍片 有最好的利用效率。 然而太厚的底部除了浪费材料, 也会造成热的累积反而使热传能力降低。 良好的底部厚度设计必须由热源部分厚而向边缘部份变薄, 如此可使散热片 由热源部份吸收足够的热向周围较薄的部份迅速传递。 散热瓦数和底部厚度的关系如下式所示:  t=7xlogW-6 (min 2mm)  3. 鳍片 形状  散热片 内部的热藉由对流及辐射散热, 而对流部分所占的比例非常高, 对流的产生  (1) 鳍片 间格 在散热片 壁面会因为表面的温度变化而产生自 然对流, 造成壁面的空气层(边界层) 流, 空气层的厚度约 2mm, 鳍片 间格需在 4mm以上才能确保自 然对流顺利。但是却会造成鳍片 数目 减少而减少散热片 面积。鳍片 间格变狭窄-自 然对流发生减低, 降低散热效率。鳍片 间格变大-鳍片 变少, 表面积减少。  (2) 鳍片 角度 鳍片 角度约三度。  (3) 鳍片 厚度 当鳍片 的形状固定, 厚度及高度的平衡变得很重要, 特别是鳍片 厚度薄高的情况, 会造成前端传热的困难, 使得散热片 即使体积增加也无法增加效率。 散热片 变短时, 增加表面积会增加散热效率, 但也会使散热片 的体积减少而造成的缺点(热容量减少) 因而产生。 因此鳍片 长度需保持一定才能产生效果。  鳍片 变薄-鳍片 传热到顶端能力变弱  鳍片 变厚-鳍片 数目 减少(表面积减少)  鳍片 增高-鳍片 传到顶端能力变弱(体积效率变弱)  鳍片 变短-表面积减少  4. 散热片 表面处理:  散热片 表面做耐酸铝(Alumite) 或阳极处理可以增加辐射性能而增加散热片 的散热效能, 一般而言, 和颜色是白色或黑色关系不大。表面突起的处理可增加散热面积, 但是在自 然对流的场合, 反而可能造成空气层的阻碍, 降低效率。

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