热设计基础（中）

上一集:热设计基础(上)

三、散热器介绍

散热器是一种散热扩展面，热阻表示其散热性能。

1.如何提高散热器的散热效果？

1)增加表面积A

提高表面积A就是在同一空间内适当增加散热面积，新工艺

散热器主要基于这方面不断降低翅片厚度，提高翅片密度。

2)提高换热系数h

就换热系数而言，散热器的表面流量可以提高。被动散热是为了增加系统风速。主动散热需要增加板式风扇的流量；

3）提高发射率

辐射散热能力的提高主要是通过提高散热器的表面发射率来实现的。常用的方法是油漆表面，喷砂以提高粗糙度和阳极氧化。辐射对自然散热条件下的散热有一定的影响，强制空冷基本无效，一般散热器的发射率差别不大，一般不考虑。

2.热管散热器设计与应用技术

技术简介及应用场合：

热管是通过埋在散热器基板上穿透散热器基板，依靠内部工质相变高效传热的导热元件FIN实现散热器基板的平均温度，提高翅片效率，从而大大提高散热器的整体性能。由于我们产品的槽宽度狭窄，散热器的可用高度空间受到限制，大部分应用是大功耗设备散热器基板的平均温度形式。

热管的作用是传热而不是散热，主要有两种用途：一种是将热量从一个地方传递到另一个地方，如CPU Cooler；另一种是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需要更多的空间，所以热管散热器有其局限性，尤其是在设备密度高的单板上。

笔记本的CPU显卡芯片上使用的散热管散热技术最早是由IBM介绍了一种非常有效的散热技术。散热管是一种新型的散热装置，含有纤维和水，将空气的后一段粘贴在管道中CPU或者在显卡芯片上，另一端接收笔记本散热风扇散热。

散热管的工作原理是在真空状态下，水的沸点很低。当散热管的一段加热时，散热管中的液体蒸发蒸发，蒸汽在微小的压差下流向另一端，释放热量凝结成液体，液体沿着多空材料通过毛细流回蒸发端，类似于空调冷却器的工作原理。

笔记本采用散热管技术散热的优点是没有移动部件，所有部件完全密封，不需要消耗额外的能量，可以长期稳定工作，有利于节省空间，使其设计更薄。目前，市场上几乎所有的笔记本电脑都采用了散热管散热技术。

为什么热管技术性能如此之高？我们应该从热力学的角度来看待这个问题。物体的吸热和放热是相对的。当存在温差时，必然会出现热从高温传递到低温的现象。传热有三种方式：辐射、对流和传导，其中传热最快。
热管采用蒸发制冷，使热管两端温差大，导致热量快速传递。常见的热管由管壳、吸液芯和端盖组成。生产方法是将热管内部泵入负压状态，然后充入适当的液体，沸点低，易挥发。管壁由毛细多孔材料组成。
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个基板，实现良好的平均温度，进一步提高散热器的整体性能。新散热器基板平面的当量热系数值可达4万W/mK纯铜材料的水平是纯铜材料的十倍以上，可以大大改善局部热点问题。

通过蒸汽散热器的设计和应用技术，包括设置多层导热仿真模型经验参数、均温试验技术、热阻网络分析和翅片优化技术，明确了其大功率CPU、单个、多个局部热点的应用场景，如光模块。80WCPUVC散热器阻大0.31℃/W，与相同尺寸的热管散热器相比，热阻降低11.5%，重量减轻28.6%。

技术原理：

针对上述高热流密度器件散热及散热器整体高度严重受限的应用， 蒸汽腔散热器专门针对这类问题（Vapor Chamber Heat Sink, VCHS）根据技术研究，蒸汽腔散热器本质上是将整个基板制成平热管，实现基板良好的均温，从而进一步提高散热器的整体性能。

工作原理图如下图所示：集中热源VC基板局部加热导致工作质量沸腾蒸发。由于流动阻力极小，工作质量蒸汽在蒸汽空间内迅速完全扩展，并在安装翅片一侧的冷端表面放热冷凝。冷凝后的工作质量液体通过吸液芯结构输送到热源再次蒸发，从而完成工作质量循环和热传递。新型散热器基板平面方向的当量导热系数可达4万W/mK纯铜材料的水平是纯铜材料的十倍以上，可以大大改善局部热点问题。

四、导热介质

说到散热系统，很多人会想到风扇和散热器。事实上，他们忽略了一种不为人所知的导热介质，但起着重要作用。让我们来谈谈导热材料.我希望你能讨论并表达你对各种功率器件散热的看法和经验。

也许有人会这么想 CPU表面和底部的散热器非常光滑，不需要导热介质。这个观点不对！由于机械加工不能产生理想的平整表面， CPU散热器之间会有很多沟槽和缝隙，包括空气。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，甚至无法正常工作。因此，导热介质应运而生，其作用是填补处理器与散热器之间的大小间隙，增加热源与散热器的接触面积。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是其最重要的作用。

导热硅脂是目前应用最广泛的导热介质之一。以硅油为原料，加入增稠剂等填料，通过加热、减压、研磨等工艺形成酯，具有一定的粘度，无明显的颗粒感。导热硅脂的工作温度一般为-50~220℃它具有良好的导热性、耐高温性、耐老化性和防水性。

当装置散热时，导热硅脂加热到一定状态，呈现半流质状态，充分填充 CPU散热器之间的间隙使两者更紧密地连接，从而加强热传导。导热硅脂一般不溶于水，不易氧化，但也具有一定的润滑和电绝缘。

导热硅脂连接CPU泡沫铜散热器和泡沫铜散热器可以无缝CPU传热，通过均热板和热管，有效发挥泡沫铜的散热性能。可以说，无论泡沫铜散热器的性能有多好，都没有导热硅脂等导热介质，也没有超强的效果。

导热材料可填充界面间隙，降低界面热阻！

1、导热脂

常采用复合导热固体填料、高温合成油(硅油等基础油) 均匀的糊状物质由固定剂和改性添加剂制成，常用的导热脂为白色，也有灰色或金色的导热脂。导热颗粒通常是氧化锌、氧化铝、氮化硼 氧化银、银粉、铜粉等。

特点：

1)是最常见的界面导热材料，常采用印刷或点涂。

2)用于散热器和设备之间，散热器采用机械固定，主要优点是维护方便，价格便宜。
3)其导热阻很小，适用于大功率器件的散热，因为它能很好地润湿散热器和器件的表面，降低接触热阻。
4)使用时需要印刷或点涂，操作费时，工艺控制要求高，难度大。

使用注意事项

1)导热硅脂本身是一种绝缘介质，但由于层薄，难以避免接触固体凸点，导热硅脂不能用于需要绝缘的地方。

2)为了获得更好的接触性能，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。习惯在美国使用psi作单位）。

3)硅脂在使用过程中会渗出硅油，造成硅油污染，不适用于有暴露接触的继电器。

2、导热胶

简介：主要由粘合剂和导热颗粒组成。施用前为膏状混合物，施用后在一定时间和条件下交联固化。常用的导热胶可根据胶体类型分为：环氧树脂系统(Epoxy based)、丙烯酸系(Acrylic based)、有机硅系(silicone based)。按组分单组分，双组分。

特点：

粘结效果好，不需要机械固持；

双组分，但不需要混合，涂胶，涂固化水，使用方便，常温固化，固化条件简单，固化速度快；

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

可返修;

对散热器表面状态敏感，表面污染装置或散热器结合力弱；

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的粘接面；干燥(约1)min后即可）
2、采用0.12mm的导热胶刷工装，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。

对导热垫的性能要求和主要检测项目：

1）导热系数和热阻：热性能满足要求
2）硬度：优先选用硬度较低的材料
3）绝缘性能：要求耐压满足产品需求（一般3KV）
4）阻燃：要求材料阻燃级别达到V1及以上

4、相变导热膜
 

导热双面胶带

定义:胶带是胶粘剂中特殊类型，将添加有导热填料的胶液涂于基材上，形成双面胶带状的界面导热材料。双面胶带可分为溶剂活化型、加热型和压敏型。

导热双面胶带绝大部分属于压敏胶粘带。

组成:压敏胶粘剂、基材、底层处理剂、背面处理剂和隔离纸

主要特点:

1、可根据界面形状灵活制备各种形状

2、具有较好的粘结力，某些场合下可以取代螺钉固定

3、导热系数一般较低，多用于小功率器件

4、操作方便简单

参考文献：

“百度文库”《华为单板热设计培训教材》

《最全的热设计基础知识及flotherm热仿真》
《散热技术及设计大全：含热管、蒸汽腔型、和微槽群复合相变散热器》

部分内容来自硬十的第二本书《硬件十万个为什么——开发流程篇》