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电子物件里散热器的预设和组配


高温流体同低温的互相混合扩散最后将固体表面的热传给流体,而辐射无需借助任何媒介,是发热体直接向周围空间释放热量。
  散热器通是一块带有很多叶片的热的良异体,在实际应用中,散热器通过和器件、芯片表面的紧密接触使器件、片的热量传导到散热器,它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加,同时流通的空气也能带走更多的热量。
  热阻在使用散热器的情况下,散热器与周围空气之间的热释放的“阻力”
  称为热阻,散热器与空气之间“热流”由散热器流向空气时由于热阻的存在,在散热器和空气之间就产生了一定的温差,就像电流流过电阻会产生电压降一样。同样,散热器与器件、芯片表面之间也会存在一定的热阻。选择散热器时,除了机械尺寸的考虑之外,最重要的参数就是散热器的热阻。热阻越小,散热器的散热能力越强,器件的工作温度就容易降低。在每一个实际应用中,都有一个具体的热阻抗目标值,只有满足这一目标值才能在恶劣的外部条件下保持连接部位的临界温度。
  通常情况下,散热器必须保持的临界温度就是器件的外壳温度。
  功耗电子产品工作时需要能源。由于器件不理想,许多电能变成热能,从而使器件的温度升高。如果不能有效地散热,其温度就会继续上升,最终导致热致失效。散热的任务就是提供有效地散热通道(即热路)。最重要的热流是功耗的热量。
  用热分析软件实现散热器的优化设计空冷散热器看起来似乎比较简单,但为了达到最佳散热性能,选用时要对功率损耗、空气流速、散热器宽度、长度和高度、散热器厚度和间距、空气导流片尺寸以及环境条件等多个变量进行综合考虑,其复杂性可见一般。为达到最佳实际效果,在具体应用中散热器应根据不同的工作环境而作出相应的设计。在一个柜体或体积确定的空间内进行散热器性能设计,计算流体力学分析软件(CFD)是比较好的软件工具。利用已有的CAD软件建立模型,用CFD获取该空间内所有元件的几何数据进行计算并确定流经散热器的空气实际方向和流速。用CFD分析空间内的每个单位体积,并根据质量、能量和动量守恒方程计算结果。对散热器的每一面都进行分析,以确定自由面积的比率,这一比率表征允许空气流动的总体积。
  热分析软件能够十分有效地分析散热器的散热性能,但如果在器件布局完成之后才考虑散热器的设计,则散热器的位置很可能与其他元件冲突,因为剩余的空间常常不能满足散热的要求,甚至出现更坏的情况,即系统内的空气受到其他元件的阻碍而不能流进散热器,这样就不能充分发挥其优势。所以应在设计初期使用,给实际者带来最大的设计灵活性,从而达到省事、省钱和避免设计失误的目的。
  用CFD软件进行参数优化设计的过程中应注意以下因素对散热性能的影响:1)散热片的数目随着散热片数目的的增加,静压会下降。若散热片数目过多,则空气流速降低,导致散热效率降低。
  另外,若空气不导向散热器,则实际上会从散热器旁边流过,从而使散热器周围留下空气死角。在散热器各表面宽度给定的情况下,体积阻抗与散热片的数目有关。垂直挤压成型的散热器不能允许空气流向一致,因为这种类型的散热器体积阻抗为零,而横切型散热器允许空气流向所有方向。
  2)散热器总高度散热器总高度是散热片高度加底板厚度,在散热器高度一定的情况下,若底板厚度增加则散热片的高度就要降低。底板厚度的功能是将热量从散热器散发出去,厚度值由热源的位置和散热片在散热器的位置确定。通常,热源的大小比较散热器小得多,只是一个点状而已。热量可以在两个接触面之间稳定地传输,但当热量沿着散热器进一步传输时,则会遇到“传输阻抗”
  ,该阻抗影响总的热量传输效率。
  3)热源的位置散热器与周围环境间的热阻随着发热源尺寸的增加而减小,直到热源的尽寸拉近散热器安装面的60为止。将发热元件集中布置,可大大减少散热器的截面积。由于传播阻抗比较小,故底板厚度也可减小,于是在有限的空间内可使散热器得以优化布置。
  选择正确的散热器安装方法减小热阻是降低器件温度最有效的方法,所以将散热器固定于发热器件上时,最重要的是要减小器件和散热器之间的热阻,使其界面之间的热传递效率最大。也应考虑其他的要求,如介电特性、电导性、附着强度和再次安装的可能性等。
  1)机械紧固件法这是散热器的传统安装方法,采用铆钉、夹持件和螺纹紧固件等。由于结合部件表面不是绝对的平整,接触面之间总会留有一定的空隙,这种空隙是热绝缘体,严重影响热传递效率。因此在安装时,应尽量保证接触面平整光滑,以增加接触面积,扭紧全部螺栓以增加接触压力,用足够多的连接件,以保证接触均匀。
  2)导热润滑剂法此方法主要指在结合部件表面之间使用非固化传导介质如硅树脂润滑剂,这种润滑剂将填充配合部件表面之间的空隙,与机械紧固件法相比,具有更好的热传递。由于机械紧固件不能使部件表面粘合,所以可将导热润滑剂与机械紧固件一起使用。若需要电绝缘,则可以使用云母垫片。非固化化合物的缺点包括吸附灰尘、污染和难易控制使用量等。
  3)可压缩垫片和垫料法垫片、垫料由硅树脂、复合材料和其他材料制成,可承受足够大的夹持力,并可避免机械紧固件在使用过程中的松驰。采用这种方法时,需要有足够数量的不同形状和尺寸的预加工垫料。
  4)导热粘合剂法使用导热粘合剂如加填料的环氧树脂和丙烯酸脂可有效地在结合部件之间提供附着力和导热界面。这些粘合剂中的树脂都是有机物,是热的不良导体,为了增加导热性在其中填充了纯金属和金属氧化物氧化物。这种粘合剂可消除因机械紧固件引起的应力,也不再需要采购大量预加工垫片和垫料,还可避免非固化化合物方法的污染问题。
  当然,粘合剂也有一些缺点,包括填料混合问题、需要固化时间以及保存时间有限等。需要注意的一点是,应使粘合剂的厚度尽量薄。
  在选择散热器的安装方法时,下列参数要认真考虑:1)电气参数根据实际应用的工作环境决定使用导电粘合剂还是电气绝缘粘合剂。使用电气绝缘粘合剂时,重要的因素有介电常数、耗散因子和绝缘强度。
  该种粘合剂必须在高温和潮湿的环境中保持良好的绝缘性能;2)力学参数粘合剂中聚脂的不同化学基会影响其物理特性,如硬度、韧性、强度、工作温度范围和热膨胀系数等。环氧树脂可提供高硬度、高强度和抗高温性能;而硅树脂、聚氨脂、硫聚合物和其它人造橡胶可提供韧性。粘合剂中加入填充物可以降低热膨胀系数,使其于基底材料的热膨胀系数相匹配。粘合剂的强度和延伸特性由所选填充物决定。
  3)粘合强度粘合剂既可具有可控制的粘合强度以适合重复利用,也可有高粘合强度以适合永久安装。粘合强度主要指切应力强度、抗张强度、切削强度、扭曲强度或劈裂强度。对于可修复强度而言,重要的是选择正确的聚脂和填充物。不同物质的粘着效果取决于所使用的聚脂:环氧树脂由于其对大多数物质的良好粘着性而被用于增加硬度;为了增加弹性,首选硫聚合物和聚氨脂,聚氨脂对塑料和玻璃的粘着好,但对金属的粘着不好;而硅树脂在不使用底漆时粘合力有限。
  4)导热率发热部件和散热器之间界面的热传输效率取决于空气残留、填充物类型和粘合成的厚度等参数。接合部件表面由厚厚的粘合剂或凝胶垫料时,由于潮湿会发生空气残留,如果使用粘合剂,在粘合剂的混合过程中也会有空气残留于其中,可采用除气方法如离心分离机以排除残留空气。如果想在装配过程中避免这个问题,可将粘合剂滴在粘合表面的中央,这样,将粘合部件合拢时,粘合剂就会呈放射状被挤出,将空气排出粘合层。用金属和金属氧化物作填充物增加聚脂的导热率,当填充物所占比例增加时,导热率随聚合物内金属颗粒之间的距离减小而成比例增加。
  结束以上从设计和安装方法两个方面对散热器选用时的一些经验和准则进行了探讨和总结,这些经验和准则在笔者的具体实践工作中已得到了运用,并取得了良好的效果。实践证明,在整个电子系统选择散热方案过程中只要采取以上步聚,加之细致周详的考虑,就可获得较好的效果。

 



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