散熱片是為了幫助積體電路消散運作時所�(chǎn)生的�,以提 高工作效能的散熱裝置,隨著電子科技的發(fā)展及晶圓制程的提�,電子元件的效能相對提�,而單位體� 所�(fā)出的熱量亦越來越�,為了維持其正常的工作狀�(tài),熱交換的動作也就相當?shù)�?�。各種不同的冷卻技�(shù)如水冷� 冷凍循環(huán)以及浸入式沸騰冷卻等都可能用來解決散熱問�� 盡管如此� 散熱� 仍是最�(jīng)濟� 最可靠的散熱方��
1. 壓印(Stampings)散熱� 銅片 或鋁� 可用壓印的方式制成所需的形狀� 此種制程成本�� 適合量產(chǎn)� 可用於低熱密度的元件� 而壓印的元件在組裝上也有� 動化的便利性, 因此可進一步降低成��
2. 擠型(Extrusion)散熱� 擠型的制造方式是由將材料在高壓下強制流入??字谐尚味沟霉腆w�(zhuǎn)換為等截面的連續(xù)長條� 擠形是散熱片 制造中最廣泛使用的方�� �(shè)備投資的�(jīng)額中等� 可經(jīng)由橫切的方式�(chǎn)生矩形的針狀散熱� � 可產(chǎn)生鋸齒狀的鰭� 以增� 10~20%的效能, 但會降低擠型的速度� 擠型的高寬比限制可高� 6� 使用特殊模具�(shè)計時則可� 10 的高寬比�
3. 鑄�(Casting)散熱� 將熔化的金屬加壓到金屬模�� 以產(chǎn)生精確尺寸的元件� 此技�(shù)可產(chǎn)生高密度的針狀散熱� � 高的治具費用是的成本投資� 但適合大量生�(chǎn)的低元件成本可補回此部分� 鑄造散熱片 的熱傳導性會受到固化時氣體滲入而產(chǎn)生多孔狀而降低�
4. 接著(Bonding)散熱� 接著散熱� 將鰭� 組裝於散熱片 底部� 接著劑對散熱� 的效率影響很�� 如果制造不當, 會形成熱的阻�� 一般使用導熱膠或是焊錫� 接著散熱� 的底部由於需特別加工� 因此會使得成本較�� 但由於制造技�(shù)的提�� 以及接著劑的改良� 如熱導性的鋁填充膠�� 使得接著散熱� 的成本降低� 此種制程方式可制造高寬比高的散熱� � 在不增加體積需求下可大量增加冷卻效��
5. 摺疊(Folding)散熱� 摺疊散熱� 將金屬片 摺疊成鰭� 陣列形狀� 由於將摺疊的金屬� 藉由焊錫及銅焊接的方式焊接於散熱� 底部� 因此在介面上造成額外的熱阻� 在制作上的步驟增�� 使得成本提升� 而制造小間距的鰭� 也是困難�� 由於增加散熱面積� 因此散熱效率不錯�
6. 改良式的鑄�(Modified die-casting)散熱� 此種制造方式是傳統(tǒng)鑄造方式的延伸� 首先將相當薄的壓印鰭� 陣列以間格物隔開� 然后以夾具固定, 使散熱片 的底部鑄造時將鰭� 固定於底�� 而形成散熱片 � 此種方式消除了鰭� 及底部材料的介面熱阻� 此種制程可提供高的高寬比�
7. 鍛�(Forging)散熱� 鍛造散熱片 是用非常高的壓力敲擊(punch� 方式將金屬材料壓入模中使鰭片 成形� 可能遇到的制程上的問題是材料會阻礙在模子中, 使得高度不均一� 熱鍛造比較容�� 而冷鍛造可制造較密及較強的鰭� � 鍛造方式的�(yōu)點包括高強度� 較小的表面粗糙度以及材料的均一性等� 鍛造方式的散熱� 具有較高的高寬比�
8. 切削(Skiving)散熱� 這是一種新的散熱片 制程方式� 鰭片 用特殊的刀具加工, 使得弧狀的精密薄� 由金屬塊削出� 由於鰭片 和金屬塊是相同材�� 因此沒有接著散熱� 或是摺疊散熱� 的缺點。由於制程技�(shù)的增�,目 前也可制造出高密度的鰭片� � 前采用的� 6063 �� 銅的切削還在實驗階段� 由於切削深度可以相當?shù)�?鰭片 的厚度可以較�� 可以�(shè)計較輕性能較高的散熱片 �
9. 機械加工(Machining)散熱� 藉由機械加工的方式將材料從金屬塊中移除以形成鰭片 的形狀。最常用的方式是� CNC 機器上采用一組切割鋸,鋸子之間有精密的距�� 以切割出鰭片 幾何形狀� 由於加工時容易造成鰭片 的破壞或卷曲� 因此需二次加工� �(yōu)點是容易� 動化� 因此未來仍有使用空間�
散熱� 的應用方式散熱片 的選用, 最簡單的方式是利用熱阻的概念來�(shè)�� 熱阻是電子熱管理技�(shù)中很重要的設(shè)計參�(shù)� 定義�
?。遥溅 / P
其中ΔT 為溫度差� P 為晶� 之熱消�� 熱阻代表元件熱傳的難易度� 熱阻越大,元件得散熱效果越差� 如果熱阻越小� 則代表元件越容易散熱� IC 封裝加裝散熱� 之后會使得晶� �(chǎn)生的熱大部分的熱向上�(jīng)由散熱片 傳遞� 由熱阻所�(gòu)成之�(wǎng)路來�� 共包括了由熱由晶� 到封裝外殼之熱阻 Rjc� 熱由封裝表面到散熱片底部�(jīng)由介面材料到散熱� 底部之熱� Rcs� 以及熱由散熱� 底部傳到大氣中之熱阻 Rsa 三個部分�
Rjc 為封裝本身的特�� 與封裝設(shè)計有�(guān)� 在封裝完成后此值就固定� 須由封裝�(shè)計廠提供�
Rjc=(Tj-Tc) / P
Tj 為晶� 介面溫度� 一般在微電子的應用� 115℃~180℃, 而在特定及軍事的應用上則� 65~80�� Ta 的值在提供外界空氣時為 35~45�� 而在密閉空間或是接近其他熱源時則可定� 50~60��
Rcs 為介面材料之熱阻� 與介面材料本身特性有�(guān)� 而散熱片 �(shè)計者則須提� Rsa 的參�(shù)�
Rcs=(Tc-Ts) / P
Rsa=(Ts-Ta) / P
Rcs 和表面光滑度、介面材料的材料特性以及安裝壓力以及材料厚度有�(guān),由於一般設(shè)計時常會忽略介面材料的特性, 因此需特別注意� 由熱阻網(wǎng)路來�,可以得到熱阻的�(guān)系為
Rja=Rjc+Rcs+Rsa=(Tj-Ta) / P
散熱� 的作用即是如何使用適�?shù)纳�?使得晶片 的溫� Tj 保持在設(shè)定值以下下� 然而散熱設(shè)計時必須考慮元件的成本, 圖三則為幾種傳統(tǒng)散熱� 及元件的成本和性能估算,性能佳的散熱� 成本一般較�� 如果散熱量較小的�(shè)�� 就可以不必用到高性能高成本的散熱元件� 散熱�(shè)計時必須了解散熱� 的制作成本及性能的搭�� 才能使散熱片 �(fā)揮效��
傳統(tǒng)散熱� 材料為鋁� 鋁的熱傳導性可� 209W/m-K� 加工特性佳� 成本低,因此應用非常�� 而由於散熱片 性能要求越來越高� 因此對於散熱� 材料熱傳導特性的要求也更為殷切, 各種高傳導性材料的需求也越來越高� 銅的熱傳導率 390W/m-K� 比起鋁的傳導增加 70%� 而缺點是重量三倍於�� 每磅的價格和鋁相�� 而更難加�� 由於受限於高溫的成型限制� 無法和鋁同樣擠型成形� 而銅的機械加工花更多時間� 使加工機具更易損毀� 然而當應用的場合受限於傳導特性為重點�� 銅�??勺鳛樘娲�?� 此外利用銅做為散熱片 的底部可提升熱傳擴散的效率, 降低熱阻��
一些增進散熱的材料如高導熱� polymer� 碳為基材的化合物� 金屬粉沫燒結(jié)� 化合的鉆石以及石墨等都是� 前受矚目 的熱傳導材料� 然而最需要的性質(zhì)是什�� 控制的傳導�� 高加工�� 低重�� 低熱膨脹系數(shù)� 低毒性以及更重要的是成本必須低於鋁� 許多新材料的物理特性高於鋁� 但價格也多了許多��
AlSiC 是目 前的材料� 混合各種鋁合金以制成特殊的物理性質(zhì)� 控制的熱膨脹� 高傳導性以及顯著的強度使得 AlSiC 更有吸引�� 由於成本的關(guān)�� 這種材料一般用在底部及作為功率模組底部和晶� 直接接觸的基板�
1. 包絡(luò)體積
以散熱片 的設(shè)計而言� 這里介紹一個簡易的方法� 也就是包�(luò)體積的觀�� 所謂包�(luò)體積是指散熱� 所占的體積� 如果�(fā)熱功率大,所需的散熱片 體積就比較大� 散熱� 的設(shè)計可就包�(luò)體積做初步的�(shè)�� 然后再就散熱� 的細部如鰭片 及底部尺寸做詳細�(shè)�� �(fā)熱瓦�(shù)和包�(luò)體基的關(guān)系如下式所��
LogV=1.4xlogW-0.8(Min 1.5cm 3 )
2. 散熱� 底部厚度
要使得散熱片 效率增加� 散熱� 底部厚度有很大的影響� 散熱� 底部必須夠厚才能使足夠的熱能順利的傳到所有的鰭片� 使得所有鰭� 有的利用效率� 然而太厚的底部除了浪費材料� 也會造成熱的累積反而使熱傳能力降低� 良好的底部厚度設(shè)計必須由熱源部分厚而向邊緣部份變薄� 如此可使散熱� 由熱源部份吸收足夠的熱向周圍較薄的部份迅速傳�� 散熱瓦數(shù)和底部厚度的�(guān)系如下式所示:
t=7xlogW-6 (min 2mm)
3. 鰭片 形狀
散熱� �(nèi)部的熱藉由對流及輻射散熱� 而對流部分所占的比例非常�� 對流的產(chǎn)�
?�?� 鰭片 間格 在散熱片 壁面會因為表面的溫度變化而產(chǎn)生自 然對流, 造成壁面的空氣層(邊界層� �� 空氣層的厚度� 2mm� 鰭片 間格需� 4mm以上才能確保� 然對流順�。但是卻會造成鰭片 �(shù)� 減少而減少散熱片 面積。鰭� 間格變狹�-� 然對流發(fā)生減�� 降低散熱效率。鰭� 間格變大-鰭片 變少� 表面積減��
?�?� 鰭片 角度 鰭片 角度約三��
?�?� 鰭片 厚度 當鰭� 的形狀固定� 厚度及高度的平衡變得很重�� 特別是鰭� 厚度薄高的情�� 會造成前端傳熱的困�� 使得散熱� 即使體積增加也無法增加效�� 散熱� 變短�� 增加表面積會增加散熱效率� 但也會使散熱� 的體積減少而造成的缺點(熱容量減少) 因而產(chǎn)�� 因此鰭片 長度需保持一定才能產(chǎn)生效果�
鰭片 變薄-鰭片 傳熱到頂端能力變?nèi)?/FONT>
鰭片 變厚-鰭片 �(shù)� 減少(表面積減少�
鰭片 增高-鰭片 傳到頂端能力�?nèi)酰w積效率變?nèi)�?/FONT>
鰭片 變短-表面積減�
4. 散熱� 表面處理�
散熱� 表面做耐酸鋁(Alumite� 或陽極處理可以增加輻射性能而增加散熱片 的散熱效�� 一般而言� 和顏色是白色或黑色關(guān)系不�。表面突起的處理可增加散熱面�� 但是在自 然對流的場合� 反而可能造成空氣層的阻礙� 降低效率�
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