散熱片
此條目介紹的是銅或鋁的散熱元件。關於石蠟或矽氧樹脂的方形或長方形薄片，請見「導熱墊」。此條目可參照外語維基百科相應條目來擴充。 |
散熱片在電子工程設計的領域中被歸類為「被動性散熱元件」，以導熱性佳、質輕、易加工之金屬（多為鋁或銅，銀則過於昂貴，一般不用）貼附於發熱表面，以複合的熱交換模式來散熱。
散熱片不需要額外的驅動能源就能執行散熱，是最典型的被動性散熱元件。除此之外熱導管（heat pipe）也是近年來日益普及與推崇的被動性散熱元件，至於主動式散熱元件則有散熱風扇（用馬達、電力驅動）、水冷循環等。
為了強化散熱片的散熱效率，一般還會採取兩個手段，一是與發熱表面間不採行直接貼附接觸，而是在兩接面間追加塗抹「導熱膏」，導熱膏能夠加強熱傳導效率，勝過兩金屬直接貼觸，另一則是增加散熱片的散熱面積，增加面積的方式即是將散熱片以溝槽化方式設計，以溝槽來增加散熱面積。
工程學應用
微處理器冷卻
散熱是電子產品和電路不可避免的副產品。[1]一般來說，裝置或組件的溫度將取決於組件對環境的熱阻，以及組件散發的熱量。為了確保組件不會過熱，熱工程師尋求找到從裝置到環境的有效熱傳遞路徑。傳熱路徑可以是從組件到印刷電路板 (PCB)、到散熱器、到風扇提供的氣流，但在所有情況下，最終都會到達環境。
另外兩個設計因素也會影響熱設計的熱或機械效能：
- 將散熱器安裝在組件或處理器上的方法。這將在附着方法一節中討論。
- 對於相互接觸的兩個物體之間的每個介面，介面上都會出現溫度降。對於這樣的複合系統，介面上的溫降可能是可觀的。 [11]這種溫度變化可能歸因於所謂的接觸熱阻。 [11]熱介面材料 (TIM) 降低了接觸熱阻。
附着方法
隨着組件功耗的增加和組件封裝尺寸的減小，熱工程師必須進行創新以確保組件不會過熱。 執行溫度較低的裝置使用壽命更長。 散熱器設計必須同時滿足其散熱和機械要求。 對於後者，組件必須在合理的衝擊和振動下與其散熱器保持熱接觸。 散熱器可以是電路板的銅箔，也可以是安裝在元件或電路板上的單獨散熱器。 連接方法包括導熱膠帶或環氧樹脂、線形Z形夾、扁平彈簧夾、支座墊片和安裝後末端會膨脹的推銷。
導熱膠帶
導熱膠帶是最具成本效益的散熱器附着材料之一。[2] 它適用於低質素散熱器和低功耗組件。它由導熱載體材料組成，每側都有壓敏粘合劑。
將此膠帶貼上到散熱器的底部，然後將其連接到組件上。以下是影響導熱膠帶效能的因素：[2]
- 組件和散熱器的表面必須清潔，沒有殘留物，例如矽脂薄膜。
- 預緊壓力對於確保良好接觸至關重要。壓力不足會導致與截留空氣不接觸的區域，並導致介面熱阻高於預期。
- 較厚的膠帶往往會在不平坦的組件表面上提供更好的「潤濕性」。 「潤濕性」是帶在組件上的接觸面積百分比。然而，較厚的膠帶比較薄的膠帶具有更高的熱阻。從設計的角度來看，最好通過選擇提供最大「潤濕性」和最小熱阻的膠帶厚度來達到平衡。
環氧樹脂
環氧樹脂比膠帶更昂貴，但在散熱器和組件之間提供了更好的機械結合，以及提高了導熱性。[2] 選擇的環氧樹脂必須為此目的而配製。 大多數環氧樹脂是由兩部分組成的液體配方，在應用於散熱器之前和將散熱器放置在組件上之前，必須徹底混合。 然後環氧樹脂將固化指定的時間，該時間可以從 2 小時到 48 小時不等。 在更高的溫度下可以實現更快的固化時間。 塗有環氧樹脂的表面必須清潔且沒有任何殘留物。
散熱器和組件之間的環氧樹脂鍵是半永久性/永久性的。[2] 這使得返工非常困難，有時甚至是不可能的。 返工造成的最典型損壞是組件晶片散熱器與其封裝的分離。
線型Z形夾
比膠帶和環氧樹脂更昂貴的線型Z形夾以機械方式連接散熱器。 要使用Z形夾，印刷電路板必須有錨。 錨可以焊接到板上，也可以推入。 任何一種類型都需要在板上設計孔。 必須允許使用 RoHS 焊料，因為這種焊料的機械強度低於傳統的 Pb/Sn 焊料。
要使用Z形夾進行組裝，請將其一側連接到其中一個錨點上。 使彈簧偏轉，直到夾子的另一側可以放置在另一個錨中。 偏轉會在組件上產生彈簧負載，從而保持非常好的接觸。 除了Z形夾提供的機械連接外，它還允許使用更高效能的熱介面材料，例如相變類型的。[2]
夾子
可用於處理器和球柵陣列 (BGA) 組件，夾子允許將 BGA 散熱器直接連接到組件。 夾子利用了由球柵陣列 (BGA) 在元件底面和 PCB 頂面之間產生的間隙。 因此，夾子不需要 PCB 上的孔。 它們還允許輕鬆返工組件。
帶壓縮彈簧的推銷
對於更大的散熱器和更高的預緊力，帶有壓縮彈簧的推銷非常有效。[2] 推銷通常由黃銅或塑料製成，末端有一個與 PCB 上的孔接合的柔性倒鈎； 安裝後，倒鈎會保留銷釘。 壓縮彈簧將組件固定在一起並保持散熱器和組件之間的接觸。 在選擇圖釘尺寸時需要小心。 過大的插入力會導致模具開裂和隨之而來的組件故障。
帶壓縮彈簧的螺紋支架
對於非常大的散熱器，螺紋支架和壓縮彈簧連接方法是無可替代的。[2] 螺紋支架本質上是帶有內螺紋的中空金屬管。 一端用螺釘穿過 PCB 上的孔固定。 另一端接受壓縮彈簧的螺釘，完成組裝。 典型的散熱器組件使用兩到四個支架，這往往使其成為最昂貴的散熱器附件設計。 另一個缺點是需要在 PCB 上打孔。
| 方法 | 優點 | 缺點 | 成本 |
| 導熱膠帶 | 容易連接。價格不貴。 | 無法為較重的散熱器或高振動環境提供機械連接。 必須清潔表面以獲得最佳附着力。 中等至低導熱率。 | 非常低 |
| 環氧樹脂 | 強機械附着力。相對便宜。 | 使電路板返工變得困難，因為它會損壞組件。 必須清潔表面以獲得最佳附着力。 | 非常低 |
| 線型Z形夾 | 強機械連接。容易去除或重修。對熱介面材料施加預緊力，提高熱效能。 | 需要板上的孔或焊接錨。 比膠帶或環氧樹脂貴。 客製化設計。 | 低 |
| 夾子 | 對熱介面材料施加預緊力，提高熱效能。 不需要孔或錨。 易於拆卸/返工。 | 必須在 BGA 周圍為夾子設置「禁區」。 額外的組裝步驟。 | 低 |
| 帶壓縮彈簧的推銷 | 強大的機械連接。 最高的熱介面材料預載荷。 易於拆卸和安裝。 | 需要在板上打孔，這會增加 PCB 走線的複雜性。 | 中等 |
| 帶壓縮彈簧的螺紋支架 | 最強的機械連接。 熱介面材料的最高預緊力。 大型散熱器的理想選擇。 | 需要在板上打孔，這會增加走線佈局的複雜性。 複雜的組裝。 | 高 |
熱介面材料
發光二極管燈
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發光二極管 (LED) 的效能和壽命是其溫度的強函數。[3] 因此，有效的冷卻至關重要。一個基於 LED 的筒燈的案例研究顯示了一個計算範例，以計算有效冷卻照明系統所需的散熱器。[4] 該文章還表明，為了獲得對結果的信任，需要多個獨立的解決方案來給出相似的結果。具體來說，實驗、數值和理論方法的結果都應在 10% 差異以內，以使結果具有較高的可信度。
焊接
焊接電路板時有時會使用臨時散熱器，以防止過熱損壞附近敏感的電子裝置。在最簡單的情況下，這意味着使用重金屬鱷魚夾、止血鉗或類似夾子部分夾住組件。設計為通過回流焊接組裝的現代半導體器件通常可以承受焊接溫度而不會損壞。另一方面，磁簧開關等電氣元件如果暴露在較熱的烙鐵下可能會發生故障，因此這種做法仍然非常流行。 [5]
相關連結
參考來源
- ^ Sergent, J.; Krum, A. Thermal management handbook for electronic assemblies First. McGraw-Hill. 1998.
- ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Azar, K, et al., 2008, "Thermally Conductive Tapes" （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, can-dotape.com, accessed on 3/21/2013
- ^ Bider, C. Effect of thermal environment on LED light emission and lifetime (PDF). LED Professional Review May/June 2009. 2009 [2022-08-11]. （原始內容存檔 (PDF)於2021-08-01）.
- ^ Azar, K.; et al. LED lighting: A case study in thermal management (PDF). Qpedia Thermal E-Magazine. September 2009 [2022-08-11]. （原始內容存檔 (PDF)於2022-06-24）.
- ^ James Johnston, "Reed Switches" （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, Electronics in Meccano, Issue 6, January 2000.
外部連結
- 無旋轉風扇散熱奇蹟 – Cooler Pioneer的散熱革命（繁體中文）（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）