第6章 散热器的设计¶
6.1.2 元器件温度要求和工作环境¶
安装散热器的目的就是控制元器件的温度，因此，散热器的设计需要结合元器件的温度要求。温度要求是否满足是判断散热器设计合格与否的首要依据。 工作环境会影响环境温度的判定，而环境温度和元器件温度要求决定了温升，也就是产品的热设计温度空间。通常情况下，芯片的规格书中明确规定其温度要求，如图 6-4 所示。 图 6-4 某 Intel 芯片最高允许温度（来自 www.intel.com）
| CPU | 核数 | 处理器 | 频率/GHz | TDP/W | $T_{jmax}/^{\circ}C$ | $T_{jmin}/^{\circ}C$ |
| Intel® CoreTM2 Duo处理器 | 2 | T7500 | 2.2 | 35 | 100 | 0 |
| 2 | T7400 | 2.16 | 34 | |||
| 2 | L7500 | 1.6 | 17 | |||
| 2 | L7400 | 1.50 | 17 | |||
| 2 | U7500 | 1.06 | 10 |
值得指出的是，一个系统中，并不是温度越高的元器件风险就越大，因为不同元器件的温度规格不同。例如，MOSFET 通常可在 \(120^{\circ}\mathrm{C}\) 时仍保持长期稳定运行，而普通水桶电容此温度一般为 \(84^{\circ}\mathrm{C}\) （水桶电容有寿命计算公式， \(84^{\circ}\mathrm{C}\) 约对应 2.5 年的持续使用时长）。对于这两种器件， \(110^{\circ}\mathrm{C}\) 的 MOSFET 实际上比 \(100^{\circ}\mathrm{C}\) 的水桶电容更加安全。
元器件的工作环境影响的另外一个因素就是散热器的材质和表面处理方式。散热器应用于室内和海边时，其所处的环境显然差异很大，对于后者，散热器表面的处理必须考虑防腐蚀。当散热器直接暴露于阳光下使用时，其对可见光的吸收率也必须得到合理控制。
6.1.3 产品内部空间尺寸¶
常见的电子产品中，散热器是热设计方案的核心体现，也是产品中最占据空间的部件之一。散热器的设计需要与结构工程师通力合作，确保符合空间尺寸要求。
产品内部的空间尺寸是散热设计的关键边界条件。散热器强化换热的根本依据在于其能够扩展换热面积，而空间尺寸的限制，实际上限定了散热器的尺寸，这在某些情境下，将会限制产品的散热能力。例如，通常服务器的宽度为 19in，高度常有 1U、2U、3U、4U、5U、7U 系列；对于笔记本电脑，厚度是产品的核心竞争力，散热器的齿高因此受到限制。一些结构非常紧凑的产品中，几何尺寸是产品的核心竞争力之一，如图 6-5 所示。散热器的尺寸缩减需要考虑产品内部的构造，充分利用各处空间来强化散热。
6.1.4 散热器安装紧固力¶
从传热角度上讲，散热器安装的紧固力主要影响导热界面材料的热阻。当散热器紧固力加大时，柔性的导热界面材料会被更好地压缩，从而实现更低的热阻。设计散热器时，需要结合产品的热流密度选用合适的界面材料，然后根据材料属性确定安装紧固力，最终将这一力的要求反馈给结构工程师和力学工程师，设计能够满足要求的紧固螺钉。
显然，紧固力并不是热设计工程师要求多少，就可以施加多少。紧固力必须符合器件的承受要求。例如，Intel Duo 系列 CPU 能承受的最大压力是 15lbf（1lbf = 4.44822N），换算成芯片表面的压强，约为 66.7psi（1psi = 6894.757Pa）。如果超出这一限定，则芯片焊锡球将无法承受相应的力。同时，由于芯片表面的导热界面材料需要有一定的压紧力才能保证接触热阻，因此 Intel 官方推荐的最小压强为 20psi。
6.1.5 成本考量¶
散热器设计中成本的影响不言而喻。散热器的成本影响因素包括但不限于以下几点：
2）散热器外形复杂程度；
其中，5）表示散热器可以直接借用历史项目中应用的版本，不用做更改，可以节省成本和提高效率。
除此之外，热设计工程师还必须掌握常见的机械加工工艺知识，保证设计的方案在工程上是可实现的。设计前期，与加工商充分沟通，从散热效果和加工成本两个角度进行权衡，获得综合性价比最高的散热器设计方案是十分必要的。
6.1.6 外观设计¶
部分产品中，散热器会直接裸露在外，或者产品自身特点决定散热器的外观必须受到约束时，就必须考虑其外观造型，如图 6-6 所示。外观造型不仅指其几何形状，还有表面处理方式。散热器设计时，表面处理方式导致的热阻增加往往是容易忽略的一点，设计时应当尤其注意。
6.2 几种常见的散热器优化设计思路¶
散热器是电子产品热设计中最常用到的散热强化部件，其强化原理是增加换热面积。同热设计所有部件的设计类似，散热器的优化设计思路也需要从热量传递的三种基本方式出发。
6.2.1 热传导 —— 优化散热器扩散热阻¶
当电子元器件上方附加散热器时，热量从器件内部传递到散热器上，以及热量在散热器内部的传递都属于热传导。经典传热学中热传导可以用傅里叶导热公式描述
式中， \(q_{x}^{\prime}\) 为 x 方向的传热速率，单位为 W；T 为温度；A 为导热方向截面积；k 为导热系数。
从式（6-1）可以看出，导热系数和导热截面积是热传导中影响传热效率的两个关键变量。
在常见的金属中，铝合金和铜合金的导热效能和经济性综合表现较好，因此常见的散热器材质主要是铝合金和铜合金，见表 6-1。
表 6-1 常见机加工材料在常温下的导热系数
| 材料名称 | 导热系数/ $[W/(m \cdot K)]$ | 材料名称 | 导热系数/ $[W/(m \cdot K)]$ |
| 银99.9% | 411 | 6061型铝合金 | 155 |
| 硬铝4.5% Cu | 177 | 1070型铝合金 | 226 |
| 纯铜 | 398 | 黄铜30% Zn | 109 |
| 铸铝4.5% Cu | 163 | 1050型铝合金 | 209 |
| 金 | 315 | 钢0.5% C | 54 |
| 纯铝 | 237 | 6063型铝合金 | 201 |
提高导热系数是为了降低扩散热阻，扩散热阻尤其在芯片热流密度较高，或者翅片长厚比较大时表现明显。但材料的导热系数提高是有限的，提高散热器基板厚度、翅片厚度等从导热截面面积出发的手段又受到空间的限制。这样，热管和均温板的使用在某些热流密度大的场景就非常有优势，如图 6-7 所示。
热管和均温板的具体选用和散热强化原理将会在第 9 章详细阐述，简单来讲，可以将其视为一种导热系数极高的传热部件。在高热流密度的场景中，通过在散热器底部镶嵌热管或均温板，可以有效降低扩散热阻，优化散热。
6.2.2 对流换热 —— 强化对流换热效率¶
元器件的热量通过热传导传递到散热器上之后，需要通过对流和辐射换热将热量散逸到环境中去，完成热量的散失。散热器翅片和周围流动的空气之间的换热方式是对流换热。先来看用来描述对流换热的牛顿冷却定律
式中，q 为传热量；h 为对流换热系数；A 为换热面面积； \(T_{w}\) 为固体表面温度； \(T_{f}\) 为流体温度。
显然，通过提升对流换热面积可以直接强化换热，但提升换热面积通常意味着散热器要做的尺寸更大，进而导致产品整体尺寸变大。这不符合电子产品越来越紧凑的趋势。另外，绝大多数情况下，加大散热器还意味着散热成本提升。当空间给定时，加大散热面积还必须要考虑系统风阻，因为细密的散热器在加大散热面积的同时还会增加风阻，影响内部空气流动，进而降低对流换热系数。一个常规的现象足以说明翅片密度和风阻之间的关系这一点，即强迫风冷的产品中散热器翅片密度通常比自然散热产品中散热器翅片密度大，如图 6-8 所示。
可以看到，在牛顿冷却定律中，换热面积和对流换热系数是一个乘积的关系，要获得最佳的散热面积和对流换热系数的综合最优值，需要多次测试优化对比。由于仿真软件的广泛使用，在打样测试前，为节省成本，提高效率，通常会进行仿真预测最优的散热器设计方案。寻找散热面积和对流换热系数的综合最优点是热设计工程师的重要工作内容。
除了单纯改变散热器齿间距来获得更高的对流换热系数，散热器的断齿、斜齿、开花齿等，如图 6-9 所示，都是在散热面积与对流换热系数之间做权衡。通过降风阻、间隙吸入冷风的效应来优化散热效果。
在系统级的产品中，散热器设计、风扇选型和风道设计三者之间的组合优化是相当复杂的。当存在多个发热点、多个散热器、多个风扇时，需要各部件之间相互配合，做到有效利用系统风量，弱化彼此热点间的级联效应，从而达到最优的设计组合。
6.2.3 辐射换热 —— 选择合适的表面处理方式¶
使用自然散热的电子产品，辐射换热往往占有不可忽略的比例。当散热器几何结构设计已经完成时，表面处理方式会显著影响换热效果。电子产品工作的温度范围内，红外线是主要的辐射波长，辐射换热强度与产品的红外辐射率成正比。对于暴露在阳光下的户外产品，设备表面与太阳之间的辐射换热则与其可见光辐射率成正比。常见表面的红外辐射率见表 6-2。
表 6-2 常见表面的红外辐射率 \(^{[1]}\)
| 表面 | 红外辐射率 | 表面 | 红外辐射率 |
| 铝箔 | 0.05 | 氧化铜 | 0.5~0.8 |
| 铝(表面抛光) | 0.03 | 黑漆 | 0.97 |
| 铝(阳极氧化) | 0.7~0.9 | 白漆 | 0.93 |
| 铝(拉丝) | 0.2 | 白纸 | 0.9 |
| 铜(表面抛光) | 0.03 | 白雪 | 0.97 |
由上可知，对于辐射换热，表面处理应当按照如下思路进行设计（见图 6-10）：
6.2.4 总结¶
假定产品内部其他部分设计都已定型，从三种基本热量传递方式的角度进行归纳，散热器的主要优化思路汇总见表 6-3。
表 6-3 散热器优化思路汇总
| 传热方式 | 对应优化思路 |
| 热传导 | 1)使用高导热系数的材料2)使用热管/均温板等均热部件,降低扩散热阻3)齿厚、基板厚度等影响扩散热阻的散热器参数 |
| 对流换热 | 1)改变齿数、齿高、基板厚等关键形状参数,使得散热器达到传热面积和流动阻力的综合最优值2)散热齿异形、断齿、错齿、斜齿设计,配合系统风道,充分利用产品内部空间,提高换热强度 |
| 辐射换热 | 1)辐射换热主要影响室内自然散热的产品和室外暴露在阳光下的产品,除了扩展散热器面积,还需要选择合适的表面处理方式2)室内产品:结合散热器的工作温度,提高表面红外辐射率3)散热器暴露在阳光下的产品:提高表面红外辐射率,降低表面可见光吸收率 |
6.3 散热器设计注意点汇总¶
散热器的选型性能要求检查包含如下几项，需要与结构工程师配合完成：
6.4 本章小结¶
散热器是热设计核心物料。广义上讲，任何有助于通过扩展面积来降低发热源温度的对象都可称为散热器。散热器表面上看起来仅仅是个结构件，但因为它并非单一可变量，故其真正的优化设计并不容易。仅就空间一个因素来谈，空间越大，散热器可实现的表面积就越大，但散热效能的提升和空间的扩展并非呈线性关系：空间翻倍，而效能无法翻倍，这涉及产品空间的利用。而空间对所有工程师都是至关重要的设计资源：硬件工程师希望摆放元器件，结构工程师可以放置安装孔位或加强强度的结构件，工业工程师期望利用这些空间实现更好的外观。热设计师必须能够澄清不同位置的空间用到散热上带来的价值，或者这些空间的变化会对散热造成什么影响，并且简明、有说服力地传递给各方，必须承认这是一个非常难掌握的能力。
参考文献¶
[1] YOUNES S. 传热学：电力电子器件热管理 [M]. 余小玲，吴伟烽，刘飞龙，译．北京：机械工业出版社，2013.
第 / 章¶
导热界面材料的选型设计¶
7.1 为什么需要导热界面材料¶
受限于机械加工精度，刚性界面间会存有极细微的凹凸不平的空隙。图 7-1a 所示为刚性界面间热量传递的路径，由于空气导热系数低 \([25^{\circ}\mathrm{C}\) 时，空气导热系数仅为 \(0.026\mathrm{W / (m\cdot K)}]\) ，所以界面间的空隙会使得热量的传递变得困难。在界面间填充高导热柔性材料［导热系数一般在 \(1\sim 6\mathrm{W / (m\cdot K)}\) 之间］是降低接触热阻的有效方法。由于应用场景处于刚性接触界面，因此，这类材料又称为导热界面材料（Thermal Interface Material）。在常规的电子产品中，如果元器件直接与刚性面接触（如芯片和散热器之间，元器件和水冷板之间等），一般会施加导热界面材料来保证热量的高效传递。
从上述原因上分析，如果单独从传热角度出发，那么希望导热界面材料具备如下属性：
7.2) 导热界面材料的定义及种类¶
7.2.1 导热界面材料定义¶
热量传递中，传热面积很重要，但芯片面积往往很小。为了控制温升，强化换热，当芯片发热量较大时，最有效的方法是将芯片热量传递到表面积更大的结构件（散热器）中，由于这些结构件表面积较大，故其与周围环境的热量交换将非常高效，从而很好地控制发热元器件的温度。导热界面材料就是用来在发热元器件和散热器之间创建高效导热路径的，其定义如图 7-2 所示。
热管理的核心目的是控制元器件的温度，而接触热阻对温度的量化影响与表面热流密度正相关。在当代，一个显著的趋势是：芯片的热流密度越来越大，即相同大小的芯片发热量越来越大，或者相同功率的芯片做得越来越小。这会导致接触热阻带来的温升幅度越来越大。这要求界面材料能够在发热元器件和散热器之间创建更高效的导热路径。因此，导热界面材料在热管理设计中的作用越来越关键。
7.2.2 导热界面材料的种类¶
1. 导热硅脂¶
导热硅脂（Thermal Grease）俗称散热膏或导热膏，为半流态膏状，如图 7-3 所示。导热硅脂以有机硅酮为主要原料，添加耐热、导热性能优异的材料，制成导热型有机硅脂状复合物。
优点：厚度极小，热阻低，综合成本低。
缺点：