散热片的设计与应用方式

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 为晶片供之热消耗。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叶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叶片，使得所有叶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. 叶片形状

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）叶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，叶片间格需在 4mm以上才能确保自然对流顺利。但是却会造成叶片数目减少而减少散热片面积。叶片间格变狭窄-自然对流发生减低，降低散热效率。叶片间格变大-叶片变少，表面积减少。

（2）叶片角度叶片角度约三度。

（3）叶片厚度当叶片的形状固定，厚度及高度的平衡变得很重要，特别是叶片厚度薄高的情况，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。因此叶片长度需保持一定才能产生效果。

叶片变薄-叶片传热到顶端能力变弱

叶片变厚-叶片数目减少（表面积减少）

叶片增高-叶片传到顶端能力变弱（体积效率变弱）

叶片变短-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。