电子设备热设计第三讲
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电子设备热设计第三讲
肋片散热器底座与翅片材料需求
▪ 同样体积的散热材料，铜的重量是铝的3倍；而铝的 比热仅为铜的2.3倍。所以相同体积下，铜散热片可 以比铝散热片容纳更多的热量，升温更慢。同样一 块厚度的底部，铜不但可以快速引走CPU Die的温 度，自己的温度上升也比铝的散热片缓慢。因此铜 更适合做成散热器的底面。
电子设备热设计第三讲
肋片效率
§肋片实际散热量 与理想情况（即假定肋片材
料的导热系数为无限大，肋片上任一点温度均等 于肋根温度）下散热量 之比
§流体流过肋片散热器时热阻为
§仅考虑了流体流过肋片表面的热阻，而未考虑肋
片根部基壁表面对传热的影响。
电子设备热设计第三讲
肋片表面效率
§有效传热面积与总传热面积之比
❖散热器的基板厚度优选
电子设备热设计第三讲
❖不同风速下散热器齿间距选择方法
电子设备热设计第三讲
❖不同翅片厚度下散热器齿间距选择方法
电子设备热设计第三讲
▪ 宽度加倍，散热能力加倍
Tj=68.1C
Tj=67.1C
0.5”x1.5”x0.5” Tj=73.5C
0.5”x0.6”x1.5” Tj=70.8C
Q = h . A . (Tw - Tf)
•增强传热的方式
–增加传热面积 –增强表面对流换热系数
•在电子设备的总尺寸、重量、所耗金属材料、流
阻性能增加不多的前提下，采用肋片散热器，其散 热量最大可增加一个数量级。
电子设备热设计第三讲
最简单的形式
电子设备热设计第三讲
电子设备热设计第三讲
肋片散热器(heat sinks)的性能
–heat sink size 散热器的尺寸
–fin数目
–air velocity around the heat sink 散热器周围空气流速 –对于给定的散热器，Rja随着气流速度提高而降低，到了一定程
度，Rja降低量可以忽略不计，原因是边界层已完全形成。
电子设备热设计第三讲
Heat Sink Resistance 散热器的热阻
电子设备热设计第三讲
Extrusion Heat Sinks:拉伸（挤型）散热器
将铝锭高温加热至约 520~540℃，在高压下让铝液流 经具有沟槽的挤型模具，作出散热片初胚，然再对散热片 初胚进行裁剪、剖沟等处理。
may be used for large wattage loads大发热量 can be longitudinal, cross-cut, or serrated
application, we must consider four things:针对给定的应用选择散热器，我们必须考 虑以下四点：
–The overall thermal resistance from
junction to air, Rja
从结点到空气的热阻
–The available space 允许空间 –The amount of airflow available 可能的空
wenku.baidu.com
Tj=63.7C Tj=67.1C
Tj=70.8C Copper 1.5”x1.5”x1.6”
电子设备热设计第三讲
优化软件
Cool-CAT, a free heat sink design software from AAVID, Inc.
Qfin, distributed by Applied Thermal Technologies
§Cool-CAT 需要输入的参数有 –散热器的尺寸 –fin的数目和厚度 –散热器的高度 –芯片的功耗 –平均气流速度
§输出有 –fin数目变化时散热器的效率 –散热器的总体热阻
电子设备热设计第三讲
肋片散热器(heat sinks)的选择与设计
电子设备热设计第三讲
§To select a heat sink for a given
types可由横切的方式产生各种形式的针状翅片 Limited by height-to-gap ratio and fin
thickness that can be achieved by machining 高宽比限制可高至6，使用特殊磨具设计可达10
电子设备热设计第三讲
▪ 散热器设计的步骤
通常散热器的设计分为三步 1:根据相关约束条件设计出轮廓图。 2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的 形状、齿间距、基板厚度进行优化。 3:进行校核计算。
电子设备热设计第三讲
▪ 自然冷却散热器的设计注意事项
▪ 考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小， 两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以 一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于 12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距 ≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。
§带肋片壁面换热热阻为
§包含了流体对肋片表面的对流传热热阻及肋片的 导热热阻，后者反映在表面效率上。
电子设备热设计第三讲
m值的意义
§肋片材料和流体物性的函数 § 为横截面周长， 为横截面面积
电子设备热设计第三讲
肋片散热器(heat sinks)的优化
电子设备热设计第三讲
肋片参数的优化
§随着肋片高度的增加，肋片的散热量必定增加 ？
电子设备热设计第三讲
▪ 强迫冷却散热器的设计注意事项
➢在散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于 0.5mm。
➢增加散热器的齿片数。目前国际上先进的挤压设备及 工艺已能够达到23的高宽比，国内目前高宽比最大只 能达到8。对能够提供足够的集中风冷的场合，建议采 用低温真空钎焊成型的冷板，其齿间距最小可到2mm。
电子设备热设计第三讲
剖面 型线
剖面 最佳
面积 系数
关系
表面 效率
最佳 条件 剖面 面积
最佳 肋根 厚
最佳 肋高
1 1.419 0.627 0.50 0.632 0.798
0.5 1.309 0.594 0.347 0.828 0.842
0.33 1.414 0.502 0.333 1.0 1.0
电子设备热设计第三讲
▪ 自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面 增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以 建议散热齿表面不加波纹齿。
▪ 自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散 热表面的辐射系数，强化辐射换热。
▪ 由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流 散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲 击，建议大于5mm以上。
电子设备热设计第三讲
▪ 散热器冷却方式的判据
▪ 对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于 0.039W/cm2，可采用自然风冷。
▪ 对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小 于0.024W/cm2，可采用自然风冷。
▪ 对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于 0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风 冷。
电子设备热设计第三讲
散热效率
§Heat sink efficiency is defined as:
= Q / (m.c.DTsA)
Q = the total heat flow 热流 m = the air mass flow rate 气流质量流量 c = the specific heat of the cooling fluid, and 冷 空气热容 DTsA = average temperature difference between heat sink and cooling fluid 散热器与冷空气之间的平 均温差
电子设备热设计第三讲
2020/11/28
电子设备热设计第三讲
主要内容
§来由 §性能 §优化 §选择与设计 §材料 §加工工艺
电子设备热设计第三讲
Heat Sinks
电子设备热设计第三讲
肋片散热器(heat sinks)的来由
电子设备热设计第三讲
•Newton’s law of cooling:
电子设备热设计第三讲
Stamping Heat Sinks:冲压散热器
are made of copper or aluminum sheet metal 铜片或铝片可用压印的方式制成所需的形状
low cost, high volume solution for low power applications成本低，适合批量供应，可用于低热密度 的器件。而压印的器件在组装上也有自动化的便利性，因 此可进一步降低成本。
▪ 对通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度大 于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫 风冷。
电子设备热设计第三讲
▪ 主动和被动散热
§依照从散热器带走热量的方式，还可以将散热器分 为主动散热和被动散热。前者常见的是风冷散热器， 而后者常见的就是散热片。进一步细分散热方式， 可以分为风冷，液冷，半导体制冷，压缩机制冷， 液氮制冷等等
0.5”x0.6”x0.5”
1.5”x0.6”x0.5”
▪ fin的长度加倍，散热能力为1.4倍
电子设备热设计第三讲
Tj=64.0C
Tj=63.7C
1.5”x1.5”x1.6”
2.0”x2.0”x1.6”
电子设备热设计第三讲
Tj=64.0C Tj=68.1C
Tj=73.5C Aluminum
1.5”x1.5”x1.6”
电子设备热设计第三讲
肋片散热器的传热分析－假设
§
§① 肋片上任何一点的温度不随时间 变化；
§② 肋片材料的材质均匀，导热系数 为常数；
§③ 肋片与环境之间的对流换热表面 传热系数为常数；
§④ 周围环境流体的温度为常数； §⑤ 肋片仅在其高度方向有温度梯度； §⑥ 在肋片根部不存在接触热阻； §⑦ 肋片根部温度均匀且为常数； §⑧ 肋片内部无热源； §⑨ 忽略肋端面和侧面的对流换热。
▪ 两种金属的结合比较困难，铜和铝之间的亲和力较 差，如果接合处理不好，便会产生较大的介面热阻 （即两种金属之间由于不充分接触而产生的热阻）。
电子设备热设计第三讲
肋片散热器的加工工艺
电子设备热设计第三讲
Types of Heat Sinks available:现有的散
热器种类： Stampings 冲压 Extrusions 拉伸 Bonded/Fabricated 粘接 Folded 折叠 Liquid-cooled cold plates 液体冷板 Casting 铸造
➢采用针状齿的设计方式，增加流体的扰动，提高散热 齿间的对流换热系数。
➢当风速大于1m/s(200CFM)时，可完全忽略浮升力对 表面换热的影响。
电子设备热设计第三讲
❖在一定的冷却体积及流向长度下，确定散热器齿片最 佳间距的大小的方法
电子设备热设计第三讲
❖不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较
气流量
–Cost of the heat sink 散热器的成本
§The overall thermal resistance is
defined as:
整体的热阻为：
Rja = (Tj - Tamb)/P = Rjc + Rcs + Rsa
电子设备热设计第三讲
§通常Rja随着下列因素提高而降低：
电子设备热设计第三讲
肋片散热器的材料
电子设备热设计第三讲
Thermal Properties of Heat Sink Materials 散热器材料热特性
电子设备热设计第三讲
肋片散热器底座与翅片材料需求
§散热器所要做的的就是要将聚集CPU Die中的热 量传导到更大的热导体并通过巨大的散热面积与 空是量气与传▪进C导首CP行的PU先U热终接是释交点触散放换，并热的。最聚器热在终集底量这将热座，个热量在即过量的短瞬程散地时间中失方间吸，到，内热散空而能能热气翅尽力片中片可，的。则能只底所是多有座以热的具，吸备收高热 散热器传的导底系座数和的翅金片属是才最能值胜得任重。视其的次两是个散部热分器。本体应当 具备▪ 目足前够最的常储用热的能散力热，片即材较料大是的铜热和容铝量合，金通。常而承铝担合金 这个容任易务加的工是，翅成片本。低对，于所金以属也导是热应材用料最而多言的，材比料热。相 和热比传▪之导采下系用，数铜铜是铝的两结瞬个合间重制吸要造热的，能参采力数用比。铜铝金合属金底好座，或但铜散柱热芯的，而 速度散就热较翅铝片合采金用要铝慢合。金。凭借较高的导热系数，铜制 底面可以快速吸收CPU释放的热量；铝制鳍片可以 借助复杂的工艺手段制成最有利于散热的形状，并 提供较大的储热空间并快速释放，这在各方面找到 了的一个均衡点。
肋片散热器底座与翅片材料需求
▪ 同样体积的散热材料，铜的重量是铝的3倍；而铝的 比热仅为铜的2.3倍。所以相同体积下，铜散热片可 以比铝散热片容纳更多的热量，升温更慢。同样一 块厚度的底部，铜不但可以快速引走CPU Die的温 度，自己的温度上升也比铝的散热片缓慢。因此铜 更适合做成散热器的底面。
电子设备热设计第三讲
肋片效率
§肋片实际散热量 与理想情况（即假定肋片材
料的导热系数为无限大，肋片上任一点温度均等 于肋根温度）下散热量 之比
§流体流过肋片散热器时热阻为
§仅考虑了流体流过肋片表面的热阻，而未考虑肋
片根部基壁表面对传热的影响。
电子设备热设计第三讲
肋片表面效率
§有效传热面积与总传热面积之比
❖散热器的基板厚度优选
电子设备热设计第三讲
❖不同风速下散热器齿间距选择方法
电子设备热设计第三讲
❖不同翅片厚度下散热器齿间距选择方法
电子设备热设计第三讲
▪ 宽度加倍，散热能力加倍
Tj=68.1C
Tj=67.1C
0.5”x1.5”x0.5” Tj=73.5C
0.5”x0.6”x1.5” Tj=70.8C
Q = h . A . (Tw - Tf)
•增强传热的方式
–增加传热面积 –增强表面对流换热系数
•在电子设备的总尺寸、重量、所耗金属材料、流
阻性能增加不多的前提下，采用肋片散热器，其散 热量最大可增加一个数量级。
电子设备热设计第三讲
最简单的形式
电子设备热设计第三讲
电子设备热设计第三讲
肋片散热器(heat sinks)的性能
–heat sink size 散热器的尺寸
–fin数目
–air velocity around the heat sink 散热器周围空气流速 –对于给定的散热器，Rja随着气流速度提高而降低，到了一定程
度，Rja降低量可以忽略不计，原因是边界层已完全形成。
电子设备热设计第三讲
Heat Sink Resistance 散热器的热阻
电子设备热设计第三讲
Extrusion Heat Sinks:拉伸（挤型）散热器
将铝锭高温加热至约 520~540℃，在高压下让铝液流 经具有沟槽的挤型模具，作出散热片初胚，然再对散热片 初胚进行裁剪、剖沟等处理。
may be used for large wattage loads大发热量 can be longitudinal, cross-cut, or serrated
application, we must consider four things:针对给定的应用选择散热器，我们必须考 虑以下四点：
–The overall thermal resistance from
junction to air, Rja
从结点到空气的热阻
–The available space 允许空间 –The amount of airflow available 可能的空
wenku.baidu.com
Tj=63.7C Tj=67.1C
Tj=70.8C Copper 1.5”x1.5”x1.6”
电子设备热设计第三讲
优化软件
Cool-CAT, a free heat sink design software from AAVID, Inc.
Qfin, distributed by Applied Thermal Technologies
§Cool-CAT 需要输入的参数有 –散热器的尺寸 –fin的数目和厚度 –散热器的高度 –芯片的功耗 –平均气流速度
§输出有 –fin数目变化时散热器的效率 –散热器的总体热阻
电子设备热设计第三讲
肋片散热器(heat sinks)的选择与设计
电子设备热设计第三讲
§To select a heat sink for a given
types可由横切的方式产生各种形式的针状翅片 Limited by height-to-gap ratio and fin
thickness that can be achieved by machining 高宽比限制可高至6，使用特殊磨具设计可达10
电子设备热设计第三讲
▪ 散热器设计的步骤
通常散热器的设计分为三步 1:根据相关约束条件设计出轮廓图。 2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的 形状、齿间距、基板厚度进行优化。 3:进行校核计算。
电子设备热设计第三讲
▪ 自然冷却散热器的设计注意事项
▪ 考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小， 两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以 一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于 12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距 ≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。
§带肋片壁面换热热阻为
§包含了流体对肋片表面的对流传热热阻及肋片的 导热热阻，后者反映在表面效率上。
电子设备热设计第三讲
m值的意义
§肋片材料和流体物性的函数 § 为横截面周长， 为横截面面积
电子设备热设计第三讲
肋片散热器(heat sinks)的优化
电子设备热设计第三讲
肋片参数的优化
§随着肋片高度的增加，肋片的散热量必定增加 ？
电子设备热设计第三讲
▪ 强迫冷却散热器的设计注意事项
➢在散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于 0.5mm。
➢增加散热器的齿片数。目前国际上先进的挤压设备及 工艺已能够达到23的高宽比，国内目前高宽比最大只 能达到8。对能够提供足够的集中风冷的场合，建议采 用低温真空钎焊成型的冷板，其齿间距最小可到2mm。
电子设备热设计第三讲
剖面 型线
剖面 最佳
面积 系数
关系
表面 效率
最佳 条件 剖面 面积
最佳 肋根 厚
最佳 肋高
1 1.419 0.627 0.50 0.632 0.798
0.5 1.309 0.594 0.347 0.828 0.842
0.33 1.414 0.502 0.333 1.0 1.0
电子设备热设计第三讲
▪ 自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面 增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以 建议散热齿表面不加波纹齿。
▪ 自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散 热表面的辐射系数，强化辐射换热。
▪ 由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流 散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲 击，建议大于5mm以上。
电子设备热设计第三讲
▪ 散热器冷却方式的判据
▪ 对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于 0.039W/cm2，可采用自然风冷。
▪ 对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小 于0.024W/cm2，可采用自然风冷。
▪ 对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于 0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风 冷。
电子设备热设计第三讲
散热效率
§Heat sink efficiency is defined as:
= Q / (m.c.DTsA)
Q = the total heat flow 热流 m = the air mass flow rate 气流质量流量 c = the specific heat of the cooling fluid, and 冷 空气热容 DTsA = average temperature difference between heat sink and cooling fluid 散热器与冷空气之间的平 均温差
电子设备热设计第三讲
2020/11/28
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主要内容
§来由 §性能 §优化 §选择与设计 §材料 §加工工艺
电子设备热设计第三讲
Heat Sinks
电子设备热设计第三讲
肋片散热器(heat sinks)的来由
电子设备热设计第三讲
•Newton’s law of cooling:
电子设备热设计第三讲
Stamping Heat Sinks:冲压散热器
are made of copper or aluminum sheet metal 铜片或铝片可用压印的方式制成所需的形状
low cost, high volume solution for low power applications成本低，适合批量供应，可用于低热密度 的器件。而压印的器件在组装上也有自动化的便利性，因 此可进一步降低成本。
▪ 对通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度大 于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫 风冷。
电子设备热设计第三讲
▪ 主动和被动散热
§依照从散热器带走热量的方式，还可以将散热器分 为主动散热和被动散热。前者常见的是风冷散热器， 而后者常见的就是散热片。进一步细分散热方式， 可以分为风冷，液冷，半导体制冷，压缩机制冷， 液氮制冷等等
0.5”x0.6”x0.5”
1.5”x0.6”x0.5”
▪ fin的长度加倍，散热能力为1.4倍
电子设备热设计第三讲
Tj=64.0C
Tj=63.7C
1.5”x1.5”x1.6”
2.0”x2.0”x1.6”
电子设备热设计第三讲
Tj=64.0C Tj=68.1C
Tj=73.5C Aluminum
1.5”x1.5”x1.6”
电子设备热设计第三讲
肋片散热器的传热分析－假设
§
§① 肋片上任何一点的温度不随时间 变化；
§② 肋片材料的材质均匀，导热系数 为常数；
§③ 肋片与环境之间的对流换热表面 传热系数为常数；
§④ 周围环境流体的温度为常数； §⑤ 肋片仅在其高度方向有温度梯度； §⑥ 在肋片根部不存在接触热阻； §⑦ 肋片根部温度均匀且为常数； §⑧ 肋片内部无热源； §⑨ 忽略肋端面和侧面的对流换热。
▪ 两种金属的结合比较困难，铜和铝之间的亲和力较 差，如果接合处理不好，便会产生较大的介面热阻 （即两种金属之间由于不充分接触而产生的热阻）。
电子设备热设计第三讲
肋片散热器的加工工艺
电子设备热设计第三讲
Types of Heat Sinks available:现有的散
热器种类： Stampings 冲压 Extrusions 拉伸 Bonded/Fabricated 粘接 Folded 折叠 Liquid-cooled cold plates 液体冷板 Casting 铸造
➢采用针状齿的设计方式，增加流体的扰动，提高散热 齿间的对流换热系数。
➢当风速大于1m/s(200CFM)时，可完全忽略浮升力对 表面换热的影响。
电子设备热设计第三讲
❖在一定的冷却体积及流向长度下，确定散热器齿片最 佳间距的大小的方法
电子设备热设计第三讲
❖不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较
气流量
–Cost of the heat sink 散热器的成本
§The overall thermal resistance is
defined as:
整体的热阻为：
Rja = (Tj - Tamb)/P = Rjc + Rcs + Rsa
电子设备热设计第三讲
§通常Rja随着下列因素提高而降低：
电子设备热设计第三讲
肋片散热器的材料
电子设备热设计第三讲
Thermal Properties of Heat Sink Materials 散热器材料热特性
电子设备热设计第三讲
肋片散热器底座与翅片材料需求
§散热器所要做的的就是要将聚集CPU Die中的热 量传导到更大的热导体并通过巨大的散热面积与 空是量气与传▪进C导首CP行的PU先U热终接是释交点触散放换，并热的。最聚器热在终集底量这将热座，个热量在即过量的短瞬程散地时间中失方间吸，到，内热散空而能能热气翅尽力片中片可，的。则能只底所是多有座以热的具，吸备收高热 散热器传的导底系座数和的翅金片属是才最能值胜得任重。视其的次两是个散部热分器。本体应当 具备▪ 目足前够最的常储用热的能散力热，片即材较料大是的铜热和容铝量合，金通。常而承铝担合金 这个容任易务加的工是，翅成片本。低对，于所金以属也导是热应材用料最而多言的，材比料热。相 和热比传▪之导采下系用，数铜铜是铝的两结瞬个合间重制吸要造热的，能参采力数用比。铜铝金合属金底好座，或但铜散柱热芯的，而 速度散就热较翅铝片合采金用要铝慢合。金。凭借较高的导热系数，铜制 底面可以快速吸收CPU释放的热量；铝制鳍片可以 借助复杂的工艺手段制成最有利于散热的形状，并 提供较大的储热空间并快速释放，这在各方面找到 了的一个均衡点。