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      電子物件里散熱器的預設和組配

      文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2013-11-27 15:10:00

       

        高溫流體同低溫的互相混合擴散最后將固體表面的熱傳給流體,而輻射無需借助任何媒介,是發熱體直接向周圍空間釋放熱量。

        散熱器通是一塊帶有很多葉片的熱的良異體,在實際應用中,散熱器通過和器件、芯片表面的緊密接觸使器件、片的熱量傳導到散熱器,它的充分擴展的表面使熱的輻射大大增加,同時流通的空氣也能帶走更多的熱量。

        熱阻在使用散熱器的情況下,散熱器與周圍空氣之間的熱釋放的“阻力”

        稱為熱阻,散熱器與空氣之間“熱流”由散熱器流向空氣時由于熱阻的存在,在散熱器和空氣之間就產生了一定的溫差,就像電流流過電阻會產生電壓降一樣。同樣,散熱器與器件、芯片表面之間也會存在一定的熱阻。選擇散熱器時,除了機械尺寸的考慮之外,最重要的參數就是散熱器的熱阻。熱阻越小,散熱器的散熱能力越強,器件的工作溫度就容易降低。在每一個實際應用中,都有一個具體的熱阻抗目標值,只有滿足這一目標值才能在惡劣的外部條件下保持連接部位的臨界溫度。

        通常情況下,散熱器必須保持的臨界溫度就是器件的外殼溫度。

        功耗電子產品工作時需要能源。由于器件不理想,許多電能變成熱能,從而使器件的溫度升高。如果不能有效地散熱,其溫度就會繼續上升,最終導致熱致失效。散熱的任務就是提供有效地散熱通道(即熱路)。最重要的熱流是功耗的熱量。

        用熱分析軟件實現散熱器的優化設計空冷散熱器看起來似乎比較簡單,但為了達到最佳散熱性能,選用時要對功率損耗、空氣流速、散熱器寬度、長度和高度、散熱器厚度和間距、空氣導流片尺寸以及環境條件等多個變量進行綜合考慮,其復雜性可見一般。為達到最佳實際效果,在具體應用中散熱器應根據不同的工作環境而作出相應的設計。在一個柜體或體積確定的空間內進行散熱器性能設計,計算流體力學分析軟件(CFD)是比較好的軟件工具。利用已有的CAD軟件建立模型,用CFD獲取該空間內所有元件的幾何數據進行計算并確定流經散熱器的空氣實際方向和流速。用CFD分析空間內的每個單位體積,并根據質量、能量和動量守恒方程計算結果。對散熱器的每一面都進行分析,以確定自由面積的比率,這一比率表征允許空氣流動的總體積。

        熱分析軟件能夠十分有效地分析散熱器的散熱性能,但如果在器件布局完成之后才考慮散熱器的設計,則散熱器的位置很可能與其他元件沖突,因為剩余的空間常常不能滿足散熱的要求,甚至出現更壞的情況,即系統內的空氣受到其他元件的阻礙而不能流進散熱器,這樣就不能充分發揮其優勢。所以應在設計初期使用,給實際者帶來最大的設計靈活性,從而達到省事、省錢和避免設計失誤的目的。

        用CFD軟件進行參數優化設計的過程中應注意以下因素對散熱性能的影響:1)散熱片的數目隨著散熱片數目的的增加,靜壓會下降。若散熱片數目過多,則空氣流速降低,導致散熱效率降低。

        另外,若空氣不導向散熱器,則實際上會從散熱器旁邊流過,從而使散熱器周圍留下空氣死角。在散熱器各表面寬度給定的情況下,體積阻抗與散熱片的數目有關。垂直擠壓成型的散熱器不能允許空氣流向一致,因為這種類型的散熱器體積阻抗為零,而橫切型散熱器允許空氣流向所有方向。

        2)散熱器總高度散熱器總高度是散熱片高度加底板厚度,在散熱器高度一定的情況下,若底板厚度增加則散熱片的高度就要降低。底板厚度的功能是將熱量從散熱器散發出去,厚度值由熱源的位置和散熱片在散熱器的位置確定。通常,熱源的大小比較散熱器小得多,只是一個點狀而已。熱量可以在兩個接觸面之間穩定地傳輸,但當熱量沿著散熱器進一步傳輸時,則會遇到“傳輸阻抗”,該阻抗影響總的熱量傳輸效率。

        3)熱源的位置散熱器與周圍環境間的熱阻隨著發熱源尺寸的增加而減小,直到熱源的盡寸拉近散熱器安裝面的60為止。將發熱元件集中布置,可大大減少散熱器的截面積。由于傳播阻抗比較小,故底板厚度也可減小,于是在有限的空間內可使散熱器得以優化布置。

        選擇正確的散熱器安裝方法減小熱阻是降低器件溫度最有效的方法,所以將散熱器固定于發熱器件上時,最重要的是要減小器件和散熱器之間的熱阻,使其界面之間的熱傳遞效率最大。也應考慮其他的要求,如介電特性、電導性、附著強度和再次安裝的可能性等。

        1)機械緊固件法這是散熱器的傳統安裝方法,采用鉚釘、夾持件和螺紋緊固件等。由于結合部件表面不是絕對的平整,接觸面之間總會留有一定的空隙,這種空隙是熱絕緣體,嚴重影響熱傳遞效率。因此在安裝時,應盡量保證接觸面平整光滑,以增加接觸面積,扭緊全部螺栓以增加接觸壓力,用足夠多的連接件,以保證接觸均勻。

        2)導熱潤滑劑法此方法主要指在結合部件表面之間使用非固化傳導介質如硅樹脂潤滑劑,這種潤滑劑將填充配合部件表面之間的空隙,與機械緊固件法相比,具有更好的熱傳遞。由于機械緊固件不能使部件表面粘合,所以可將導熱潤滑劑與機械緊固件一起使用。若需要電絕緣,則可以使用云母墊片。非固化化合物的缺點包括吸附灰塵、污染和難易控制使用量等。

        3)可壓縮墊片和墊料法墊片、墊料由硅樹脂、復合材料和其他材料制成,可承受足夠大的夾持力,并可避免機械緊固件在使用過程中的松馳。采用這種方法時,需要有足夠數量的不同形狀和尺寸的預加工墊料。

        4)導熱粘合劑法使用導熱粘合劑如加填料的環氧樹脂和丙烯酸脂可有效地在結合部件之間提供附著力和導熱界面。這些粘合劑中的樹脂都是有機物,是熱的不良導體,為了增加導熱性在其中填充了純金屬和金屬氧化物氧化物。這種粘合劑可消除因機械緊固件引起的應力,也不再需要采購大量預加工墊片和墊料,還可避免非固化化合物方法的污染問題。

        當然,粘合劑也有一些缺點,包括填料混合問題、需要固化時間以及保存時間有限等。需要注意的一點是,應使粘合劑的厚度盡量薄。

        在選擇散熱器的安裝方法時,下列參數要認真考慮:1)電氣參數根據實際應用的工作環境決定使用導電粘合劑還是電氣絕緣粘合劑。使用電氣絕緣粘合劑時,重要的因素有介電常數、耗散因子和絕緣強度。

        該種粘合劑必須在高溫和潮濕的環境中保持良好的絕緣性能;2)力學參數粘合劑中聚脂的不同化學基會影響其物理特性,如硬度、韌性、強度、工作溫度范圍和熱膨脹系數等。環氧樹脂可提供高硬度、高強度和抗高溫性能;而硅樹脂、聚氨脂、硫聚合物和其它人造橡膠可提供韌性。粘合劑中加入填充物可以降低熱膨脹系數,使其于基底材料的熱膨脹系數相匹配。粘合劑的強度和延伸特性由所選填充物決定。

        3)粘合強度粘合劑既可具有可控制的粘合強度以適合重復利用,也可有高粘合強度以適合永久安裝。粘合強度主要指切應力強度、抗張強度、切削強度、扭曲強度或劈裂強度。對于可修復強度而言,重要的是選擇正確的聚脂和填充物。不同物質的粘著效果取決于所使用的聚脂:環氧樹脂由于其對大多數物質的良好粘著性而被用于增加硬度;為了增加彈性,首選硫聚合物和聚氨脂,聚氨脂對塑料和玻璃的粘著好,但對金屬的粘著不好;而硅樹脂在不使用底漆時粘合力有限。

        4)導熱率發熱部件和散熱器之間界面的熱傳輸效率取決于空氣殘留、填充物類型和粘合成的厚度等參數。接合部件表面由厚厚的粘合劑或凝膠墊料時,由于潮濕會發生空氣殘留,如果使用粘合劑,在粘合劑的混合過程中也會有空氣殘留于其中,可采用除氣方法如離心分離機以排除殘留空氣。如果想在裝配過程中避免這個問題,可將粘合劑滴在粘合表面的中央,這樣,將粘合部件合攏時,粘合劑就會呈放射狀被擠出,將空氣排出粘合層。用金屬和金屬氧化物作填充物增加聚脂的導熱率,當填充物所占比例增加時,導熱率隨聚合物內金屬顆粒之間的距離減小而成比例增加。

        結束以上從設計和安裝方法兩個方面對散熱器選用時的一些經驗和準則進行了探討和總結,這些經驗和準則在筆者的具體實踐工作中已得到了運用,并取得了良好的效果。實踐證明,在整個電子系統選擇散熱方案過程中只要采取以上步聚,加之細致周詳的考慮,就可獲得較好的效果。

       

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