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散熱片,散熱片的種類,應用方式,材料,設計考慮

2014-5-12 1:03:25點擊:
散熱片散熱片 的供應商是為了幫助積體電路消散運作時所產生的熱,以提 高工作效能的散熱裝置,隨著電子科技的發展及晶圓制程的提升,電子元件的效能相對提高,而單位體積 所發出的熱量亦越來越多,為了維持其正常的工作狀態,熱交換的動作也就相當的重 要。各種不同的冷卻技術如水冷、 冷凍循環以及浸入式沸騰冷卻等都可能用來解決散熱問題。 盡管如此, 散熱片 仍是最經濟、 最可靠的散熱方式。 目錄散熱片的種類散熱片的應用方式散熱片的材料散熱片的設計考慮散熱片
散熱片的種類
  1. 壓印(Stampings)散熱片 銅片 或鋁片 可用壓印的方式制成所需的形狀。 此種制程成本低, 適合量產, 可用於低熱密度的元件。 而壓印的元件在組裝上也有自 動化的便利性, 因此可進一步降低成本。  2. 擠型(Extrusion)散熱片 擠型的制造方式是由將材料在高壓下強制流入模孔中成形而使得固體轉換為等截面的連續長條。 擠形是散熱片 制造中最廣泛使用的方式, 設備投資的經額中等。 可經由橫切的方式產生矩形的針狀散熱片 , 可產生鋸齒狀的鰭片 以增加 10~20%的效能, 但會降低擠型的速度。 擠型的高寬比限制可高到 6, 使用特殊模具設計時則可到 10 的高寬比。  3. 鑄造(Casting)散熱片 將熔化的金屬加壓到金屬模中, 以產生精確尺寸的元件。 此技術可產生高密度的針狀散熱片 。 高的治具費用是最大的成本投資, 但適合大量生產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生多孔狀而降低。  4. 接著(Bonding)散熱片 接著散熱片 將鰭片 組裝於散熱片 底部, 接著劑對散熱片 的效率影響很大, 如果制造不當, 會形成熱的阻礙, 一般使用導熱膠或是焊錫。 接著散熱片 的底部由於需特別加工, 因此會使得成本較高, 但由於制造技術的提升, 以及接著劑的改良, 如熱導性的鋁填充膠等, 使得接著散熱片 的成本降低。 此種制程方式可制造高寬比高的散熱片 , 在不增加體積需求下可大量增加冷卻效率。  5. 摺疊(Folding)散熱片 摺疊散熱片 將金屬片 摺疊成鰭片 陣列形狀, 由於將摺疊的金屬片 藉由焊錫及銅焊接的方式焊接於散熱片 底部, 因此在介面上造成額外的熱阻。 在制作上的步驟增加, 使得成本提升。 而制造小間距的鰭片 也是困難點。 由於增加散熱面積, 因此散熱效率不錯,  6. 改良式的鑄造(Modified die-casting)散熱片 此種制造方式是傳統鑄造方式的延伸, 首先將相當薄的壓印鰭片 陣列以間格物隔開, 然后以夾具固定, 使散熱片 的底部鑄造時將鰭片 固定於底部, 而形成散熱片 。 此種方式消除了鰭片 及底部材料的介面熱阻, 此種制程可提供高的高寬比。  7. 鍛造(Forging)散熱片   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, 熱鍛造比較容易, 而冷鍛造可制造較密及較強的鰭片 。 鍛造方式的優點包括高強度、 較小的表面粗糙度以及材料的均一性等。 鍛造方式的散熱片 具有較高的高寬比。  8. 切削(Skiving)散熱片 這是一種新的散熱片 制程方式, 鰭片 用特殊的刀具加工, 使得弧狀的精密薄片 由金屬塊削出, 由於鰭片 和金屬塊是相同材料, 因此沒有接著散熱片 或是摺疊散熱片 的缺點。由於制程技術的增進,目 前也可制造出高密度的鰭片。 目 前采用的是 6063 鋁, 銅的切削還在實驗階段。 由於切削深度可以相當低, 鰭片 的厚度可以較薄, 可以設計較輕性能較高的散熱片 。  9. 機械加工(Machining)散熱片 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。最常用的方式是在 CNC 機器上采用一組切割鋸,鋸子之間有精密的距離, 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。 優點是容易自 動化, 因此未來仍有使用空間。
散熱片的應用方式 

 散熱片 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設計, 熱阻是電子熱管理技術中很重要的設計參數, 定義為  R=ΔT / P  其中ΔT 為溫度差, P 為晶片晶片 的供應商 之熱消耗。 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 封裝加裝散熱片 之后會使得晶片 產生的熱大部分的熱向上經由散熱片 傳遞, 由熱阻所構成之網路來看, 共包括了由熱由晶片 到封裝外殼之熱阻 Rjc, 熱由封裝表面到散熱片底部經由介面材料到散熱片 底部之熱阻 Rcs, 以及熱由散熱片 底部傳到大氣中之熱阻 Rsa 三個部分。  Rjc 為封裝本身的特性, 與封裝設計有關, 在封裝完成后此值就固定, 須由封裝設計廠提供。  Rjc=(Tj-Tc) / P  Tj 為晶片 介面溫度, 一般在微電子的應用為 115℃~180℃, 而在特定及軍事的應用上則為 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為 50~60℃。  Rcs 為介面材料之熱阻, 與介面材料本身特性有關, 而散熱片 設計者則須提供 Rsa 的參數。  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關,由於一般設計時常會忽略介面材料的特性, 因此需特別注意。 由熱阻網路來看,可以得到熱阻的關系為  Rja=Rjc+Rcs+Rsa=(Tj-Ta) / P  散熱片 的作用即是如何使用適當的散熱片 使得晶片 的溫度 Tj 保持在設定值以下下。 然而散熱設計時必須考慮元件的成本, 圖三則為幾種傳統散熱片 及元件的成本和性能估算,性能佳的散熱片 成本一般較高, 如果散熱量較小的設計, 就可以不必用到高性能高成本的散熱元件。 散熱設計時必須了解散熱片 的制作成本及性能的搭配, 才能使散熱片 發揮最大效益。
散熱片的材料 

 傳統散熱片 材料為鋁, 鋁的熱傳導性可達 209W/m-K, 加工特性佳, 成本低,因此應用非常廣。 而由於散熱片 性能要求越來越高, 因此對於散熱片 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鋁, 每磅的價格和鋁相同, 而更難加工。 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時, 銅通常可作為替代之用, 此外利用銅做為散熱片 的底部可提升熱傳擴散的效率, 降低熱阻值。  一些增進散熱的材料如高導熱的 polymer、 碳為基材的化合物, 金屬粉沫燒結, 化合的鉆石以及石墨等都是目 前受矚目 的熱傳導材料。 然而最需要的性質是什麼? 控制的傳導性、 高加工性、 低重量、 低熱膨脹系數、 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, 但價格也多了許多倍。  AlSiC 是目 前最新的材料, 混合各種鋁合金以制成特殊的物理性質, 控制的熱膨脹、 高傳導性以及顯著的強度使得 AlSiC 更有吸引力, 由於成本的關系, 這種材料一般用在底部及作為功率模組底部和晶片 直接接觸的基板。

散熱片的設計考慮 

 1. 包絡體積  以散熱片 的設計而言, 這里介紹一個簡易的方法, 也就是包絡體積的觀念, 所謂包絡體積是指散熱片 所占的體積, 如果發熱功率大,所需的散熱片 體積就比較大。 散熱片 的設計可就包絡體積做初步的設計, 然后再就散熱片 的細部如鰭片 及底部尺寸做詳細設計。 發熱瓦數和包絡體基的關系如下式所示。  LogV=1.4xlogW-0.8(Min 1.5cm 3 )  2. 散熱片 底部厚度  要使得散熱片 效率增加, 散熱片 底部厚度有很大的影響, 散熱片 底部必須夠厚才能使足夠的熱能順利的傳到所有的鰭片, 使得所有鰭片 有最好的利用效率。 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。 良好的底部厚度設計必須由熱源部分厚而向邊緣部份變薄, 如此可使散熱片 由熱源部份吸收足夠的熱向周圍較薄的部份迅速傳遞。 散熱瓦數和底部厚度的關系如下式所示:  t=7xlogW-6 (min 2mm)  3. 鰭片 形狀  散熱片 內部的熱藉由對流及輻射散熱, 而對流部分所占的比例非常高, 對流的產生  (1) 鰭片 間格 在散熱片 壁面會因為表面的溫度變化而產生自 然對流, 造成壁面的空氣層(邊界層) 流, 空氣層的厚度約 2mm, 鰭片 間格需在 4mm以上才能確保自 然對流順利。但是卻會造成鰭片 數目 減少而減少散熱片 面積。鰭片 間格變狹窄-自 然對流發生減低, 降低散熱效率。鰭片 間格變大-鰭片 變少, 表面積減少。  (2) 鰭片 角度 鰭片 角度約三度。  (3) 鰭片 厚度 當鰭片 的形狀固定, 厚度及高度的平衡變得很重要, 特別是鰭片 厚度薄高的情況, 會造成前端傳熱的困難, 使得散熱片 即使體積增加也無法增加效率。 散熱片 變短時, 增加表面積會增加散熱效率, 但也會使散熱片 的體積減少而造成的缺點(熱容量減少) 因而產生。 因此鰭片 長度需保持一定才能產生效果。  鰭片 變薄-鰭片 傳熱到頂端能力變弱  鰭片 變厚-鰭片 數目 減少(表面積減少)  鰭片 增高-鰭片 傳到頂端能力變弱(體積效率變弱)  鰭片 變短-表面積減少  4. 散熱片 表面處理:  散熱片 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 的散熱效能, 一般而言, 和顏色是白色或黑色關系不大。表面突起的處理可增加散熱面積, 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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