一个估测散热器热性能参数的通用模型

1、一个估测散热器热性能参数的通用模型散热器在工业领域使用得非常普遍。随着处理速度的提高和封装体积的不断缩小，散热器的 热性能和选 择所面临的挑战越来越艰巨。本文将介绍一款简单又精确的分析工具，工程师可以利用该工具检查影响 散热器热性能的各个参数，从而帮助他们选择到合适的散热器。散热器在工业领域使用得非常普遍。随着处理速度的提高和封装体积的不断缩小，散热器的热性能和选 择所面临的挑战越来越艰巨。特别是在无管道空气流通的系统中，当散热器被放置于PCB上后，散热器 的热传送能力就使散热器本身置于热量散发和空气流动这种独特的条件下。虽然散热器从结构上看非常简单，但在散热片区间内的空气流通以及散热片和周围

2、环境之间的热量耦合 已经成为一个相当复杂的问题。在实际选择散热器时人们常常只考虑整个器件的功耗，从不做详细的热 分析。比如，工程师可能会通过上网或联系供应商寻找一个冷却15W器件用的散热器。但为给定应用找 到有效的散热解决方案并不是想象中这样简单，应该充分考虑应用的具体特性。图7：带散热器的倒装器件的传热。图2：对通过平直散热片散热的空气流动应用计算型流体动力学仿真散热片区域中过早的空 气流通出口反而会影响热性能。本文将介绍一款简单又精确的分析工具，工程师可以利用该工具检查影响散热器热性能的各个参数，从 而帮助他们选择到合适的散热器。常听人问“散热器能散发多少热量？ ”，在开发能够回答这个问题

3、的模型前，我们需要明确这个问题的实 质。答案是，散发的最大热量取决于使用散热器后试图获得的器件表面 温度。另外，由于器件的壳温也 比较含糊，因此应该把器件的结温_Tj作为主要考虑对象。明确结温后上述问题就容易回答了。一体化模型 以平时常见的上面装有散热器的倒装BGA芯片为例，如图1所示。采用在电子热管理中使用的标准封装电阻的定义：Rja-结点到环境的热阻Rjb-结点到板的热阻Rjc-结点到外壳的热阻Rcs-外壳到散热器的热阻Rsa-散热器到环境的热阻Rsp-扩散热阻定义散热器热阻的等式如下所示，图3 :区域性流通指示。其中，上等于散热片面宙散热片间的基本面积Cp为定压呻h为传热系数；m为总体流

4、速；等于VfA ；Vf为散热片区间内的流速.1为散热片奸P为流动密度：A为贯穿横截面的散热片通道.图4：结温是流速的函数。传热系数(h)和Vf确定后再确定Rsa。传热系数可以根据等式2得到:Nu = 4.421+04 572时岫11 (2)其中，图5：结温是高度的函数。Nu=2hs/k, L*=L/2DHReDDH-水力直径k-流动导热性系数ReD-雷诺数，等于(VfDH/.下一步运算将得到Vf。然而我们必须意识到，计算通过开放通道（上面和侧面通过）中散热片区间的空气 流动是相当复杂的，因为这里的空气流动呈高度三维的状态。散热片区间中过早的出口导致分析预测非 常困难。图2作了演示，其中通过（传

5、统的）平直散热片散热的空气流动CFD仿真明确地表明了流动的三 维结构，并形象地示出了空气如何从开放通道系统（如典型的大多数应用）中的散热片流出去。这里已经考虑了流动旁路V和通过散热片区间的空气流通Vf，如图3所示。将能量守恒定律应用于散热器，图6 :结温是长度的函数。V一冒 _val-EDIPU 耳*# + *己蛔=。（3）应用连续等式，并假定由散热片建立的通道中空气呈Poiseuille流动，那么就有下面的等式:其中，Ad-管道横截面积Af-散热片之间的通道截面积L-空气流动方向的散热片长度APHS -散热压力下降V-旁路流速Vd-管道（接近流）流速Vf-散热片之间的空气流速图7：结温是流速

6、和热导系数的函数。10Q.070 0 枷 SQ01C土 I即叫图8：结温是的W函数。在给定Vd时，联解方程3、4、5可以得到Vf。如前所述，结温是考虑器件热完整性的真正标准，因此 应该使用结点到环境的热阻Rja获得Tj表达式，它是许多参数的函数。其中，Ta是器件/散热器的接近空气温度。扩 散热阻值（Rsp）可以从2得到，Rsp来自于源和 散热器之间的不同接触区域。这是散热器面积 大于器件时的情况，如图1所示。或者如果散 热器与源的面积相同，而热量没有均匀散发， 此时得到的值将比正常热阻值大很多（源与散 热器相同面积）而无法忽略不计。等式6和等式1-5为我们提供了一个回答散热器能散多少热的通用工

7、具，但我们仍要关注其它参数对 Tj 或Rsa的影响。这些参数包括散热器的高度、长度和基底面积、散热器材料、Rjb和Rjc、散热片数量 以及从散热器散发的总热量。结温是各种几何参数的函数评估这些参数对无管道流通的散热器热性能影响的参数化研究工作目前正在进行中。图4到图12使用 的不同参数值见表1所示。图9：结温是的田c函数。表7：被测案例所用参数的不同值。（点击放大该国下图4表明结温是风速的函数。从该图可以看出，在达到某一速度后（本例中约3米/秒），风速的提高已 经不能有效地提高散热器性能。这要归因于传热系数水平和通过散热器的压力下降的增加，因此也表示 模型的预测值与期望值有了较好的对应。图5表

8、示结温是散热片高度的函数。达到某一高度后散热片效率就会降低，从而减少通过增加散热片高 度获得的热性能效率。在本 例中将散热器高度从60mm 增加到90mm对结温的改 善只有1.5摄氏度。图6表示结温是散热片长度 的函数。长度在150mm后 结温开始上升。在达到某个 长度后随着散热片到散热 片通道内空气温度和压力 下降的增加，散热器性能将 下降。达到这个关键长度 后，空气温度将最终达到散 热器的温度，因此不再有冷 却的效果。图7表示结温是散热器热导图10：结温是散热片数量的函数。系数和风速的函数。本图清楚地表明在合理的风速范围内，从铝到铜虽然增加了热导系数，但对冷却的 作用效果非常有限。这种情况

9、下没有考虑扩散热阻的影响。图8表示结温是结点到板热阻的函数。从本图可以看出，Rjb存在这样一个值，此时减少Rjb可以快速 降低结温，但增加Rjb对结温的影响不大。图9表示结温是结点到外壳热阻的函数。Rjc的减小对降低结温有很大的影响。它们的关系几乎是线性 的，而且不会达到无温差的情况。图10表示结温是散热片数量的函数。将散热片数量增加到15个以上会使结温上升。即使表面积提高， 也会引起散热器中更多的压力下降Maximum Power Dissipation as a Function of number ofFins for different values of Rjb fT. = 100

10、C，从而降低空气流速。散热 片的实际数量随空气流速 而定。1 AJ11-* 二:二1图11表示当Tj等于1,00摄氏度时，最大功耗在结点 到板热阻的不同值处是散 热片数量的函数。如前所 述，当达到最大热量散发时 散热片的数量就是最佳数量。本图也表明Rjb值不会 对散热片的最佳数量有任 何影响。图12表示对于15x15mm固定面积的热源来说，结温 是基底面积的函数。散热片间距离在所有尺寸下都保持不变。本图的重要结论是，与相同大小的散热器、 但在散热器基底均匀散发热量相比，通过增加散热器尺寸、扩散热阻增加到70 x70mm2基底尺寸以外的 区域并不会明显降低结温。图11 :最大耗散是给定用b数值条

11、件下（Tj=700Cg散热片数量的函数。本文小结本文为带散热器的器件提供了一个完整的模型，利用该模型可以了解各种参数对结温的影响。对原型散 热器的倾向性分析明确地说明了散热器对结温的影响，其中还存在诸多的问 题。模型告诉我们，选择和应用 散热器时只考虑散热器的 热阻是不够的，还必须考虑 结温的大小。包括器件与板 的耦合方式在内有许多参 数会影响热性能。作为一个例子，模型清晰地表明选择JuncHan Temperature ms a function of Bae Size(Heat Source 15X15 mmIgnoring spreading resiGtancs- Wrth 5read

12、ing resistanceBase area (tengthXwidrh)散热器时如果不考虑热量 扩散，可能有12%的结温不被预测到。模型还表明常规图72：结温是基底面积的函数。功耗的器件使用更高导热系数的材料（如铜）没有太大的优势。此外，对于给定的结温和空气流速，散热器能够散发的总热量将是 散热片数量和器件热特性Rjb和Rjc的函数。尽管如此，对于给定的Rjb，散热器的热导系数和散热片 数量有一最佳值。本文讨论的模型和方法为设计和定义最佳适合特定应用场合的散热器提供了一种通用 的手段。很明显，获得接近空气流速和温度是成功设计和选择散热器的重要手段。作者：Bahman Tavassoli 博士，Advanced Thermal Solutions 公司关于作者：Bahman Tavassoli是Advanced Thermal Solutions公司的首席技术专家。该公司提供散热 器以及热测试设备和软件。参考文献Tavassoli, B., “Heat Transfer Coefficient Correlation for High Performance Heat Sinks, Internal memorandum, ATS-08876