散热器设计基础：原理与最佳实践
散热器设计基础：原理与最佳实践
散热器在电子设备中扮演着至关重要的角色，它通过高效的热管理确保设备在安全温度范围内运行。本文将深入探讨散热器设计的核心原理，包括材料选择、几何优化和热传导机制，帮助工程师和爱好者开发出更高效的散热解决方案。
散热器承担着热控制的重要职责，将电子设备保持在可接受的温度范围内，以避免高温和随后的故障。因此，平衡散热片的导热系数、表面积和适用材料类型等原则就显得尤为重要。掌握这些概念可以帮助设计人员开发出高效的散热器，用于散热并延长元件和系统的使用寿命。
了解散热器的基本知识
什么是散热器？
散热器是一种冷却装置，可将热量传递给周围系统，防止高温物体的温度远高于周围环境的温度。简单地说，散热器的核心作用是将元件的温度控制在允许的最高限度内。
它通过扩大表面积来实现这一目标，并通过传导、对流和辐射来缓解散热。散热器在电子产品中的应用包括 CPU、GPU、功率晶体管或 LED 灯，以确保这些元件不会过热和失效。
散热器的基本组件
散热器由多个组件组成，起到促进电子元件散热的作用。
基础直接安装在 CPU 或功率晶体管等发热元件上。它通常是金属材质，最好是铝或铜。
一些脚蹼粘附在底座上，增加了热对流到周围空气或流体的输出面积。
一些设计包括热管以帮助将热量从底座传递到鳍片部分。
安装机制帮助正确固定散热片，以及一个热导性化合物压缩散热器和元件之间的微小空间。这是最大限度减少热阻所必需的。
风扇有源散热器中的散热片可加强散热片上的空气流通。此外，一些散热器还可能包含一个警卫或外壳，以更严格地控制穿过散热片的气流，因为它们有助于高端或狭窄的应用。
了解散热器材料的导热性能
导热系数（k）是决定材料导热效率的最基本特性之一。导热性是指在特定时间（t）内，温度梯度（ΔT）在特定距离（L）上通过材料的热量（Q）。在数学上，它可以用傅立叶导热定律来表示：
Q=-k×A×ΔT/L
其中Q=热传导率（瓦，瓦特），k=材料的导热系数（瓦/米-千克），A=热量流经的截面面积（平方米）。
导热性在散热器应用中非常重要。它能增强从热源（如电子元件）到散热器的热传递，从而将热量散发到周围环境中。材料的热导率越高，热流速度越快，温度梯度越小，冷却效率越高。
表面积及其在散热中的作用
表面积是与散热器散热直接相关的最重要参数之一。与冷却介质（最好是空气）接触的表面积越大，冷却效果就越好，因为会有更多的热交换。牛顿冷却定律可以描述散热率：
Q=h×A×ΔT
其中，h 代表对流传热系数（W/m²-K）。
该公式表明，当对流传热系数和温差恒定时，散热率与表面积成正比。这是因为表面积大意味着接触点多。因此，更多的热量会从散热器传递到周围的空气中，从而提高冷却效果。
在不增加整体尺寸的情况下最大化表面积的技术
在大多数应用中，尤其是在紧凑型或便携式系统中，散热器的尺寸是有限的。在控制结构的同时实现大表面积的方法很有帮助。
一种技术是使用散热片和针阵列。这往往会扩大散热器的散热面积，但对散热器的尺寸影响不大。
微通道散热器具有较小的内部通道，可在不增加外部尺寸的情况下大大增加散热表面积。凹槽或凹点可以增加微尺度面积，在不改变散热器尺寸的情况下促进热量传递。
折叠式鳍片结构包括将薄金属片弯曲成鳍片形状。这种结构既能增大表面积，又能保持较小的总面积。
此外，还有一些多孔材料，例如金属泡沫，在一定体积内具有极大的内表面积。不过，它们在气流和压降方面存在一些问题。
散热器设计的材料选择标准
导热系数是选择散热器材料时最重要的参数之一。它决定了热量传递的速度。铜是常用的材料之一。铜的导热性能较好，约为 390 - 400 W/m-K。这是高端应用的理想材料，具有很强的导电性。然而，铜的成本和密度可能会带来挑战。铝的导热系数相对较低，约为 200-250W/m-K。不过，铝的成本效益相对较高，重量也较轻。这使得铝成为全方位应用的理想材料。
石墨烯等新材料的导热系数高达 5000 W/m-K。它们可能是最佳的传统冷却方法，在 HSF 设计中具有更广阔的前景。其他具有高导热性能的复合材料，如金属基复合材料和相变材料，也可能在未来用于提高热效率和耐用性。不过，权衡利弊至关重要，需要适当谨慎。因此，选择合适的材料需要考虑特定应用要求和效率、成本、质量和坚固性方面的某些利弊。
普通材料 导热系数 (k)，（瓦/米-千克） 成本（美元/公斤） 密度（ρ，克/立方厘米） 耐腐蚀性
铝质 200 - 250 2 - 3 2.7 良好
铜 390 - 400 6 - 7 8.9 中度
不锈钢 16 - 25 1 - 3 8.0 优秀
石墨 100 - 2000 10 - 15 1.5 – 2.0 优秀
散热器设计中的传热机制
有效的设计依赖于三种主要的热传导机制：它们包括传导、对流和辐射。
传导
在散热器中，传导是一个热量从部件通过材料传递到外部环境的过程。傅立叶定律给出了传导导致的热传递速率：
Q导通=-k×A×ΔT/L
这种机制至关重要，因为它能将热量从热源传递到散热器表面，并在散热器表面进一步散热。
传导是一个重要因素。因此，选择合适的材料是最理想的。铜或铝等导热材料有助于热量从热源传导到珀尔帖模块的冷沉表面。
铜具有良好的导热性，可广泛用于高温应用。铝的成本较低，但热性能良好。
此外，设计还应通过保持热源与散热器之间的良好接触来优化热阻。这可以通过使用热界面材料来实现，这些材料有助于改善两个表面之间的热交换并克服热阻。
应特别注意热通道的合理分布，避免出现间隙或不均匀的接触区域，因为这些都会对热传导和热管理产生负面影响。
对流
对流涉及固体表面与流过表面的流体（空气或液体）之间的热交换。对流涉及热量在流体中的移动，由牛顿冷却定律描述：
Q对流=h×A×ΔT
对流是冷却的关键因素之一，它决定了散热器表面的散热程度。因此，需要最大的表面积来增强对流。
使用翅片或销钉阵列意味着有更多的表面积可用于散热。由于热量有更多的机会传递到周围流体，因此更突出的头部表面可提高对流效率。
此外，散热器周围的流动应增加对流热系数。这就需要使用风扇或鼓风机来提高流速，从而有助于以更快的速度带走热量。
辐射
任何暴露在辐射下的物体都会利用电磁波进行热传递，而不需要介质。斯蒂芬-玻尔兹曼定律对此进行了描述：
Q辐射=ϵ×σ×A×(T表面4- T环境4)
其中 ϵ= 表面发射率（无量纲），σ = 斯特凡-玻尔兹曼常数（5.67×10-8 W/m²-K⁴），A= 散热器表面积（平方米），T表面= 散热器表面温度（千克），T环境 = 环境温度（K）。
在散热器设计中，辐射是最重要的机制之一。使用可提高辐射率的涂层和表面处理可显著增强辐射传热。发射率较高的表面能更有效地辐射热量，从而有助于散热。此外，散热器的几何特性也对辐射散热的效率起着至关重要的作用。为了实现高效散热，散热器应尽可能多地暴露在环境中进行散热。在许多散热器中，热辐射传热优化包括使用高发射率涂层和几何设计。
散热器设计中的几何与形状优化
表面积和散热
散热器的效率在很大程度上取决于设备的表面，因为对流热传导率取决于表面积。要计算给定散热率所需的表面积，可使用下式计算对流传热：
Q=h×A×ΔT
假设散热器的散热量为 50 W，对流传热系数 h=50 W/m².K：
A=Q/hΔT=50/(50×55)=0.01819m2或 182 厘米2
通过散热器的传导
要计算通过散热器材料的热量，请使用傅立叶传导定律：
Q导通=-k×A×ΔT/L
假设我们选择铝作为材料，那么 k=205 W/m.K，ΔT=55 K，厚度 L=0.01 m，横截面积 A=0.01 m²A = ：
Q导通=-205×0.01819×55/(0.01)=20.509kW
优化鳍片几何形状
要确定散热片的散热效果，可使用下式计算单片散热片的传热率：
Q鳍片=(k×A鳍片×ΔT)/L [1/√((h.L)/k)]
其中 A鳍片= 单个鳍片的表面积（平方米）
散热器设计流程
散热器的设计涉及多个过程。每个阶段都需要进行特定的工程计算，以帮助最大限度地提高热效率。
1.确定需求：
要确定散热器的性能，必须考虑三个关键因素，其中包括以瓦（W）为单位的散热要求（Q）。例如，如果一个电子元件的散热量为 20 W，则 Q= 20 W。a)，即周围环境的温度。通常，Ta = 30∘C.此外，请指定最高结温（Tj)来操作组件。例如，Tj=85∘C=85∘最后，用结温减去环境温度，得出所需的温升 (ΔT)。
ΔT=Tj-Ta=85-30=55oC
2.计算所需热阻（R第):
确定散热器必须达到的热阻，以实现所需的温升。
R第=δt/q=55/20=2.75 °c/W
3.选择散热器类型和材料：
散热器的类型和材料取决于热量、重量和成本等因素。最常见的类型有铝和铜。例如，铝的导热系数 (k) 约为 205 W/m-K，因此它的有效性和成本都很高。
4.确定散热器几何形状：
调整散热器的尺寸和形状，以满足所需的热阻水平。从几何图形上的选项中选择散热片类型、引脚类型或两者。对于鳍片类型，计算鳍片间距为
翅片间距=散热器高度/翅片数量
5.进行热计算：
选择散热器设计时，应确保热阻计算符合要求。空气对流传热系数 (h) 通常为 10 - 50 W/m²-K。计算有效热阻为
R总计=Rth，散热片+Rth，接口+R交界处
其中 Rth，散热片= 散热器的热阻，Rth，接口= 热界面电阻，Rth，交界处= 从结点到界面的热阻。
散热片
Rth，散热片=1/h.A总计
其中 A总计= 可用于散热的表面积。
6.原型和测试
根据设计信息构建物理散热器并评估结果。将散热器焊接到电子元件上，使用温度计测量温差，以评估散热器的性能。最后，根据结果，可能会对设计进行一些修改，以达到必要的热阻。
常见的设计错误以及如何避免这些错误
热管理至关重要，特别是在为电子设备进行设计时。然而，一些错误很可能造成负面影响。大多数人常犯的一个错误是，需要在散热器表面留出更多空间，以便适当散热。实际操作中的一个问题是，设计人员必须进行基本的计算和模拟，以确定热负荷所需的表面积。这可能会导致温度升高，甚至对元件造成热冲击。
因此，热源和散热片之间的界面会直接增加热阻，从而导致散热量降低。此外，散热片的任何不足之处，包括散热片厚度或间距，都会干扰气流，影响对流传热，导致工作温度升高。因此，正确的计算和使用计算流体动力学（CFD）等工具有助于设计人员更准确地预测表面积和鳍片几何形状。要实现适当的热传递，必须使用优质的 TIM 和光滑平整的接触表面。
结论
散热器的设计对于电子元件达到理想的热工作极限至关重要。适当的散热器必须将正确的导热性、空气空间和材料作为不可或缺的参数。它们的正确使用可提高元件的耐用性和系统性能。
传导、对流和辐射在热损失过程中起着至关重要的作用。因此，必须充分了解这些机制背后的原理。
在制造散热器时，采用更好的材料和方法来制造高导热材料和几何形状，可实现高水平的改进。反复探索材料和设计的新可能性有助于提高散热产品的开发水平。