散热器的种类、工艺及其优化设计
散热器的种类、工艺及其优化设计
散热器作为电子设备和各种工业设备中的关键组件，其设计和优化对于设备的性能和可靠性至关重要。本文将详细介绍散热器的种类、加工工艺及其优化设计，帮助读者深入了解散热器的工作原理和设计要点。
散热器的作用
在一定的体积空间内获取更高的传热面积。利用改善结构形状、实施表面处理等方式，增加有效传热面积，进而达成增强散热、控制温度的目标。
以下是三种传热方式，分别是热传导、热对流、热辐射，其公式如下所示，
热传导
热对流
热辐射
式中，
q：发热量
A：换热面积
k：导热系数
h：对流换热系数
ε：辐射系数
通过上述三个公式，可以看出，传热面积是关键因素，然而有效的传热面积更加决定了热交换的效率。
散热器的形状
常规的散热器形状主要如下图所示，
在一定的体积空间内获取更高的传热面积。利用改善结构形状、实施表面处理等方式，增加有效传热面积，同时尽可能降低流动阻力。
当然，随着项目需要、加工工艺不同，还有很多其它类型的散热器，诸如之前评论区大家所提到的表面沟槽、水滴、肋片上窄下宽等等。
散热器加工工艺
一体成型
一体成型的散热器，散热齿和散热器基板为一体，不存在接触热阻。
压铸铝散热器
铝压铸成型的优势是，成本低，生产效率高，可制作形状复杂的散热器，但材料通常是压铸铝，导热系数相对较低，且对内部的细小散热齿尺寸有限制，另外压铸成型工艺的前提是量产需求量要大，平摊模具费成本。
铝挤散热器
铝挤成型的优势是成本低，开发周期短，材质导热系数相对较高，可做细密散热齿，但齿高与齿厚之比有限制（一般不超过20），不能做复杂形状。
冷锻散热器
冷锻处理的优势是可做细密散热齿，材质导热系数较高，但成本相对较高，异形处理能力优于铝挤。
这里面还有一种特殊的一体成型的散热器，如下图所示
铲齿散热器
铲齿散热器材质可以是铜，导热系数高，翅片可以非常细密，翅片直接从基板上用刀具铲起，所以当翅片高度较大、长度较长时，受应力影响，容易造成翅片变形。
水冷头内部也可通过铲齿制造高密度翅片，这个后期我们开个专题分享一下，这里不赘述。
可以看出，一体成型散热器翅片厚度、翅片间距、翅片高度受限，导致在某些项目中，不能满足散热需求，所以诞生了非一体成型散热器。
非一体成型
非一体成型的散热器，散热齿和散热器基板分别加工，然后使用焊接、粘贴、过盈配合等工艺将散热齿与散热器基板进行组装，所以产生了接触热阻。
折叠齿散热器
折叠齿散热器，翅片材料可铜可铝，导热系数高，翅片可以非常细密需先加工翅片，折成相应形状后焊接至散热基板，成本高。
扣齿散热器
扣齿散热器，散热齿片可以是铜或铝，导热系数高，可以做到非常细密需先加工翅片，将翅片扣合后焊接到基板上，工艺复杂，成本较高。
插齿散热器
插齿散热器，翅片导热系数，齿厚、齿间距比压铸灵活齿嵌入基板，制造难度大，良品率不高，相对成本稍高。
各散热器加工工艺优劣对比
散热器优化设计
前面提到散热的三种方式，散热器在系统中的工作方式简易图如下图所示，
热源处于PCB与散热器之间，热量经由导热界面材料到散热器上，即进行热传导，然后，散热器与翅片间流动的空气进行对流换热，散热器与周围环境中的各种表面进行热辐射交换。
那么整个优化设计方案可从这三个方面进行着手，
1.热传导方向
使用高导热系数的材料、高导热系数的界面材料（这个后面专门出一期）等；
使用热管/均温板等部件，降低扩散热阻；
优化齿厚、基板厚度等影响扩散热阻的散热器参数；
2.热对流方向
降低系统阻力，增大流速，提高换热系数；
改变齿间距、齿高、基板厚度等关键形状参数，使得散热器达到传热面积和流动阻力的综合最优（可以用软件进行仿真优化，比如flotherm的command center）；
散热齿异形、错齿等设计，搭配系统风道设计，充分利用产品内部空间，提高换热系数；
3.热辐射方向
结合散热器工作温度，提高散热器表面红外辐射
所有散热强化措施都需要从传热的三种基本方式所涉及的影响因素加以分析，且结合实际的制造工艺、项目生产成本等要素，提供切实有效且合理的方案。