热设计基础（中）-散热理论-热传智能制造网

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上一集内容：热设计基础（上）

三、散热器介绍

散热器即为一散热扩展面，热阻表征其散热性能的优劣。

1、如何提高散热器散热效果

1）提高表面积A

提高表面积A而言就是要在相同空间内适当增大散热面积，新工艺

散热器不断降低翅片厚度，提高翅片密度也主要是基于这方面考虑。

2）提高换热系数h

就提高换热系数而言，可以提高散热器表面流速，被动散热就是加大系统风速，主动散热就要提高板级风扇的流量；

3）提高发射率

辐射散热能力提升主要通过提高散热器表面发射率来实现，常用方法是表面做涂漆、喷沙提高粗糙度、阳极氧化等措施。辐射对散热在自然散热条件下有一定影响，强迫空冷基本没有效果，并且一般散热器发射率的差异不大，一般不作重点考虑。

2、热管散热器设计与应用技术

技术简介及应用场合：

热管是一种依靠内部工质相变进行高效热量传递的导热元件，通过在散热器基板埋入及穿FIN等手段实现散热器基板的均温及提高翅片效率等，从而实现散热器整体性能的大幅提升。由于我司产品的槽位宽度窄，限制了散热器的可用高度空间，决定了大多数的应用是针对大功耗器件的散热器基板均温形式的应用。

热管的作用是传热而不是散热，主要有两种用法：一种是把热量从一处传递到另外一处去散发，如CPU Cooler；另外一种是用于大散热器基板的均热，如RPA热管散热器。这两点在我们的单板上多需要更大的空间，因此用热管散热器有其局限性，特别是在器件密度较高的单板上。

笔记本的CPU和显卡芯片上采用的散热管散热技术最早是由IBM引入的一种很有效的散热技术。散热管是新型的散热装置，内有纤维和水，管内抽光空气后一段贴在CPU或是显卡芯片上，另一端则接到笔记本散热风扇处散发热量。

散热管的工作原理是在真空状态下，水的沸点很低。当散热管的一段受热时，散热管中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿着多空材料靠毛细作用流回蒸发端，如此循环和冷气机的工作原理类似。

笔记本采用散热管技术进行散热的优点是没有移动式的零件，全部零件都完全密封在内，不必消耗额外的能量并可以长久稳定的工作，并且有利于空间的节约，从而可以让其设计的更加薄。目前市场上几乎所有的笔记本都采用了散热管散热技术。

热管技术为什么会有如此的高性能呢？这个问题我们要从热力学的角度看。物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递有3种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。
热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。常见的热管均是由管壳、吸液芯和端盖组成。制作方法是将热管内部抽成负压状态，然后充入适当的液体，这种液体沸点很低，容易挥发。管壁有吸液芯，由毛细多孔材料构成。
热管一端为蒸发端，另外一端为冷凝端。当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体。液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止。热量由热管一端传至另外一端，这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。

3、蒸汽腔散热器设计与应用技术

蒸汽腔散热器技术：蒸汽腔散热器本质上是基于整块基板做成扁平状的热管，实现基板的良好均温，从而进一步提升散热器的整体性能。该种新型散热器的基板平面方向的当量热系数值可达4000W/mK的水平，是纯铜材料的十倍以上，可以极大改善局部热点问题。

通过蒸汽散热器的设计和应用技术，包括多层导热仿真模型经验参数的设置、均温型测试技术、热阻网络分析及翅片优化技术等，明确了其在大功率CPU、光模块等单个、多个局部热点的应用场景。通过改新型散热器的设计方法，80WCPUVC散热器阻大0.31℃/W，比相同尺寸的热管散热器热阻降低11.5%，重量减轻28.6%。

技术原理：

针对上述的高热流密度器件散热及散热器整体高度严重受限的应用场合，进行了专门针对此类问题的蒸汽腔散热器（Vapor Chamber Heat Sink, VCHS）技术研究，蒸汽腔散热器本质上是将整块基板做成扁平状的热管，实现基板的良好均温，从而进一步提升散热器的整体性能。

其工作原理图如下图所示：集中热源对VC基板局部加热，导致该处工质沸腾蒸发，由于流动阻力极小，工质蒸汽在蒸汽空间内快速完全扩展并在安装翅片一侧的冷端面放热冷凝，冷凝后的工质液体再经由吸液芯结构输运至热源处再次蒸发，从而完成工质循环和热量传递。该种新型散热器的基板平面方向的当量导热系数值可达4000W/mK的水平，是纯铜材料的十倍以上，可以极大改善局部热点问题。

四、导热介质

提到散热系统，许多人想到的是风扇和散热片。实际上，他们忽略了一种导热介质，它并不为人们所熟知，但起着重要作用。这里我们来谈一下导热材料.希望大家讨论一下，发表自己对各种功率器件散热的看法和体会。

也许有人会认为 CPU表面和底部散热片是非常光滑的，它们之间不需要导热介质。这个看法不对！因为机械加工不能制造出理想的平整表面， CPU和散热器之间会有许多沟槽和空隙，其中都是空气。众所周知，空气的热阻值很高，必须使用其它物质来降低热阻，否则散热器的性能就会下降，甚至不能正常工作。因此，导热介质应运而生，其作用在于填满处理器与散热器之间大小间隙，增大发热源与散热片接触面积。所以，传热仅仅是传热介质的作用，增加 CPU与散热器的有效接触面积就是其最重要的作用。

热导硅脂是目前应用最为广泛的一种导热介质，它是以硅油为原料，再加入增稠剂等填充剂，经加热减压、研磨等工艺，形成一种酯状物，具有一定的粘稠度，无明显颗粒感。一般而言，导热硅脂的工作温度在-50~220℃之间，它具有良好的导热性、耐高温、抗老化和防水性能。

当装置散热时，导热硅脂加热到一定状态后，即呈现一种半流质状态，充分填充 CPU与散热片之间的空隙，使两者接合更加紧密，从而加强了热量传导。导热硅脂一般不溶于水，不易氧化，还具有一定的润滑性和电绝缘性。

导热硅脂连接CPU和泡沫铜散热器，让泡沫铜散热器能无缝隙与CPU传递热量，通过均热板与热管，高效发挥泡沫铜的散热性能。可以说，泡沫铜散热器的性能再优良，没有像导热硅脂这样的导热介质，也不能发挥出超强效果。

导热材料能填充界面间隙，降低界面热阻！

1、导热脂

常由复合型导热固体填料、高温合成油（基础油如硅油），并加有稳定剂和改性添加剂调配而成的均匀膏状物质，常用的导热脂为白色，也有灰色或金色的导热脂等颜色。导热颗粒通常采用氧化锌、氧化铝、氮化硼、氧化银、银粉、铜粉等。

特点：

1）为最常见的界面导热材料，常采用印刷或点涂方式进行施加。

2)用于散热器和器件之间，散热器采用机械固持，最主要的优点为维修方便,价格便宜。
3）因可以很好的润湿散热器和器件表面，减小接触热阻，所以其导热热阻很小，适合大功率器件的散热。
4）使用时需要印刷或点涂，操作费时，工艺控制要求较高，难度大。

使用注意事项

1)导热硅脂本身是绝缘介质，但是由于施加的层薄，难以避免固体凸点的接触，通常需要绝缘的地方不能使用导热硅脂。

2)为获得较好的接触性能，安装时需要一定的紧固力(>5psi)（PSI是压强单位，PSI英文全称为Pounds per square inch。P是指磅pound，S是指平方square，I是指英寸inch。美国习惯使用psi作单位）。

3)硅脂在使用时都会有硅油渗出，造成硅油污染，不适合周围有裸露触点的继电器的场合。

2、导热胶

简介:主要由胶粘剂与导热颗粒组成，施加前是膏状混合物，施加后在一定的时间和条件下分子交连，固化。常用的导热胶按照胶体类型来分可以分为:环氧树脂系(Epoxy based)、丙烯酸系(Acrylic based)、有机硅系(silicone based)。按照组份分单组份、双组份。

特点：

具有较好的粘结作用，不需机械固持;

双组分，但无需混合，一边涂胶，一边涂固化水，具有使用方便，常温固化，固化条件简单、固化速度快等优点;

导热系数低(约0.8W/mk)，只适合用于小功率器件的散热;√导热界面层的厚度一般在4~5mil之间;

可返修;

对散热器表面状态敏感，表面污染的器件或散热器的结合力弱;

现场工艺控制严格，胶层太厚或固化水太多都会影响结合力。

导热胶的使用方法：

1、首先用酒精擦拭芯片和散热器粘接面；晾干（约1min后即可）
2、采用0.12mm的导热胶印刷工装，涂胶方式推荐为固化水涂在散热器上，导热胶涂在芯片表面。
3、采用干净的毛刷在散热器上刷涂固化水，不超过2滴，使粘结面有润湿的痕迹即可.然后待固化水挥发15s—1min后（不能超过30min），组装上散热器。
4、采用5-10N的压力，从中间均匀挤压散热器，以使胶层均匀分布，实现良好的粘结层；
5、固化时，采用压块工装施加约1psi的压强，以控制胶层的厚度在0.15mm以下；
6、一般情况下，40min后，315胶的粘接强度可达到完全固化的80％；24h后，315胶可完全固化。

3、导热垫

主要应用及特点：

•主要用于当半导体器件与散热表面之间有较大间隙需要填充•用于几个芯片要同时要共用散热器或散热底盘时，但间隙不一样的场合•用于加工公差加大的场合，表面粗糙度较大的场合。•由于导热垫的弹性，使导热垫能减振，防止冲击，且便于安装和拆卸。