器件散热结构的设计「设计电子产品结构」

今天带来器件散热结构的设计「设计电子产品结构」，关于器件散热结构的设计「设计电子产品结构」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

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散热是所有电子类产品所必须解决的问题，例如最近上市的iPhone 11，有不少用户反馈从激活起就开始发烫，侧边和背面尤其明显，“是发烫，不是发热”“真的是摸开水杯的感觉，烫手，像一部用了很多年的老手机”“像一个暖手宝”。

本文将介绍电子产品常见的散热方式。如需下载相关资料，请拉到最后。

1.散热片

散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金、黄铜或青铜做成板状、片状和多片状等。

散热片担负着将发热物体产生的热量散失到周围空气中的使命，是风冷散热器中的热量传导信道，其主要作用：

吸热：吸收体积、面积较小的发热物体的热量，令其不致因热量堆积而温度急剧升高，导致各种不希望看到的后果；导热：将吸收的热量在内部传导到散热片的各个部分，充分利用较大的热容量与表面积；散热：通过表面的各种热交换途径（主要是热对流）将热量散失到空气之中（可配合风扇进行强制对流）。

三种主要作用互相配合，形成一套完整的散热途径。其中任何一种作用无法发挥，或未完全发挥，都可能导致散热性能的大幅降低，甚至完全丧失。

▲铜散热片

▲各式各样的散热片

▲散热片的热分析

▲魅族手机的铜片散热

▲电脑主板上的散热片

▲游戏机主板上的散热片

2.热管

热管是一种具有极高导热性能的新型传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，它利用毛吸作用等流体原理，起到良好的制冷效果。

热管一端为蒸发端，另一端为冷凝端。当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力下流向另一端，重新凝结成液体，并释放出热量。液体再依靠毛细力的作用流回蒸发端，如此循环不止。

热量由热管的一端传到另一端，这种循环是快速进行的，热量可以源源不断的传导开来。

▲热管散热的工作原理

▲热管剖面

热管具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、温度可控制等特点。将热管散热器的基板与晶闸管、igbt、igc等大功率电力电子器件的管芯紧密接触，可直接将管芯的热量快速导出。

热管的导热系数很高，为一般金属材料的数百倍乃至上千倍。它可将大量热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。

▲热管的导热能力超过任何金属

▲三星Galaxy S7使用热管散热

▲LG手机使用热管散热

▲华为Mate 20使用热管散热

▲热管应用于灯具中

▲热管应用于台式电脑CPU散热器

▲热管应用于笔记本电脑

3.导热界面材料

导热界面材料（Thermal Interface Materials，TIM），也叫界面导热材料，是一种普遍用于IC封装和电子散热的材料，主要用于填补两种材料接合或接触时产生的微空隙和表面凹凸不平的孔洞，减少传热热阻，提高散热性能。

在微电子材料表面和散热器之间存在极细微的凹凸不平的空隙，如果将它们直接安装在一起，它们间的实际接触面积只有散热器底座面积10%，其余均为空气间隙。

因为空气热导率只有0.024W/(m·K)，是热的不良导体，将导致电子元件与散热器间的接触热阻非常大，严重阻碍了热量的传导，最终造成散热器的效能低下。

使用具有高导热性的导热界面材料填充满这些间隙，排除其中的空气，在电子元件和散热器间建立有效的热传导通道，可以大幅度降低接触热阻，使散热器的作用得到充分地发挥。导热界面材料在热管理中起到了十分关键的作用。

▲导热界面材料减小接触热阻

导热界面材料包括:

▲导热硅胶片

▲导热硅脂

▲导热界面材料的各种应用

4.铝基板

电子产品中经常会用到印刷电路板，而当前的双面板、多层板密度高、功率大，热量散发难。常规的印制板基材如FR4、CEM3都是热的不良导体，层间绝缘，热量散发不出去。电子设备局部发热不排除，导致电子元器件高温失效，而铝基板可解决这一散热难题。

铝基板是一种有良好散热功能的覆铜板，它由独特的三层结构所组成，分别是线路层、绝缘层和金属基层。

铝基板的工作原理是：功率器件表面贴装在线路层，器件所产生的热量通过绝缘层传导到金属基层，然后由金属基板扩散到模块外部，实现对器件的散热。

铝基板广泛应用于LED灯、电源、电机驱动、摩托车和汽车等领域。

▲LED灯

▲DC/AC 变换器

▲电机驱动

▲摩托车、汽车领域

5.导热塑料

导热塑料是以工程塑料或通用塑料为基材，添加导热填料提高其导热性能，利用塑料的流动性，通过注塑或挤出工艺等加工成成品。

导热塑料的优点包括：

散热均匀，避免灼热点，减少零件因高温造成的局部变形重量轻，比铝材轻 40-50%成型加工方便，无需二次加工生产效率高结构可以设计得很复杂，设计自由度高工作温度低，提高组件和装置的平均寿命

塑料的绝缘性好，但塑料的导热系数小，一般在0.15~0.45W/(m·K)，提高导热塑料导热性主要途径是填充高导热无机物，导热系数可以达到5W/(m·K)左右。

导热塑料的主要基体材料：PPS、PA6/PA66、LCP、TPE、PC、PP、PPA、PEEK 等。

导热塑料的主要填料：AlN、SiC、Al 2 O 3 、Mg(OH) 2 和石墨等。

▲LED灯具外壳

▲LED封装

▲LED灯具塑胶散热片

▲其它各种应用

6.石墨烯

石墨烯是碳原子以sp2键紧密排列成的二维蜂窝状晶格结构，其导热性能优于碳纳米管。石墨烯有极高的导热系数，单层石墨烯的导热系数可达5300W/(m·K)，并且有良好的热稳定性。而且除了有高的热导率值，石墨烯的二维几何形状，及与基体材料的强耦合和低成本，都使得石墨烯成为导热界面材料的理想填料。

石墨烯散热的四类产品是石墨烯散热膜、导热塑料、散热脂和散热灌封胶。

▲石墨烯的四类产品

▲华为Mate20中使用石墨烯散热

▲小米手机使用石墨烯散热

▲石墨烯导热塑料加工制成的散热器应用于LED灯具中

7.导热灌封胶

导热灌封胶是具有高导热性能双组分液态电子灌封材料，可在室温或加温下固化。除高导热的特性外，还具有热膨胀率低和绝缘性高等特点从而更加有效地消除电子元件因工作温度变化产生的破坏作用。导热灌封胶的导热系数最高可以达到3W/(m·K)。

导热灌封胶适用于电子、电源模块、高频变压器、连接器、传感器及电热零件和电路板等产品的绝缘导热灌封。

▲导热灌封胶的各种应用

8.散热资料下载

如需更多更详细的散热知识，请参考下面相关资料：

散热原理：

散热在各行业的应用：

散热片：

热管：

散热界面材料：

铝基板：

导热塑料：

石墨烯：

导热灌封胶：

如需获得上述资料；

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关于作者：

钟元，2011年出版书籍《面向制造和装配的产品设计指南》（DFMA）。

2019年11月即将出版《面向成本的产品设计：降本设计之道》（DFC）。

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