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电子产品散热器的设计考虑因素

浏览: 作者:热设计原创作者 发布日期:2021-05-22 11:17:55
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  上一期我们就大功率LED路灯电子散热器的主要散热方式做了详细的介绍和说明。本期我们简单的对电子产品散热器的设计考虑因素进行描述,作为专业的电子散热器,型材散热器,插片散热器生产制造厂家镇江市凯盛散热器有限公司,我们将尽心整理并发布各种散热器相关知识,竭诚为您服务。

  在传热学理论中可以看到,增大面积是强化传热的有效手段。散热器的本质就是一个可以在相同空间内扩大传热面积的部件。当然,扩大到什么程度,如何扩大,需要综合许多工程因素。本章来讲述为什么这些因素有影响,以及如何考虑这些因素。

  1 散热器设计需考虑的方面

  散热器的设计,主要考虑以下几个方面:

  1) 发热源热流密度;

  2) 发热元器件温度要求;

  3) 产品内部空间尺寸;

  4) 散热器安装紧固力;

  5) 成本考量;

  6) 工业设计要求。

  1.1 发热源热流密度

  热量从发热元器件到散热器之间的传递方式是热传导。通常情况下,散热器的基板面积会大于发热元器件的发热面积。当元器件热流密度较大时,扩散热阻(Spreading Resistance)对热量传递的影响就会显现。扩散热阻一个简化直观的定义是:当热源与底板的面积相差比较大时,热量从热源中心往边缘扩散所形成热阻叫扩散热阻。

  下面通过一个实际的仿真,来描述散热器设计时需要如何考虑扩散热阻。
仿真模型图示

  图 仿真模型图示

  主要情景设置:

  1)环境温度:20 ℃;

  2)冷却方式:强迫对流;

  3)风量:固定,5 CFM;

  4)芯片功耗:20W;

  5)芯片模型:块简化,导热系数15 W/m.K

  6)散热器三维尺寸:40 mm•40 mm•20 mm,材质:Al6061;

  7)界面材料:为了显性化散热器设计,先不考虑TIM,仿真中不设置TIM;

  8)仿真工具:Flotherm 12.0.

  维持主要场景所有设置,芯片尺寸分别设置为30mm•30mm和10mm•10mm。仿真结果如下:
散热器底部温度分布

  图 散热器底部温度分布:芯片尺寸:30mm•30mm(左);芯片尺寸:10mm•10mm(右)

  两种芯片尺寸下,表面热流密度分别为:

  30mm•30mm:Pdens = 20/30/30 = 0.022 W/mm2 = 2.22 W/cm2

  10mm•10mm: Pdens = 20/10/10 = 0.2 W/mm2 = 20 W/cm2

  芯片尺寸缩减后,热流密度增大了9倍。散热器在没有做任何变更的前提下,就造成了芯片约20℃的上升。
散热器界面温度分布

  图 散热器界面温度分布:左——芯片大小10 mm • 10 mm;右—— 30 mm • 30 mm

  可以看到,由于扩散热阻的存在,芯片热流密度大时,散热器边缘的温度会明显低于贴合芯片处的温度。散热器边缘处的利用效率下降。

  扩散热阻的详细理论计算可参考文章:

  http://www.electronics-cooling.com/1998/01/calculating-spreading-resistance-in-heat-sinks/

  结论:同样一个散热器,应用于相同的场景,当发热源的热流密度增加时,其有效热阻将增加。

  对于热流密度比较大的芯片,常见的减小扩散热阻的方法有以下几条:

  1)  加厚散热器的基板,降低热量在平面方向上的传输热阻;

  2)  使用导热系数更高的散热器材料;

  3)  在散热器基板上埋装热管;

  4)  使用VC复合到散热器基板上。

  本文节选自陈继良《从零开始学散热》第六章

  下一期将对电子散热器的六种散热方式常识科普做详细介绍,如需了解更多凯盛散热器的信息,请持续关注。

  电子产品散热器的设计考虑因素由电子散热器生产销售厂家镇江市凯盛散热器有限公司于 2021-05-22 11:17:55 整理发布。

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