散热片的选用与设计
- 格式：pdf
- 大小：236.93 KB
- 文档页数：7
散熱片的選用與設計
1. 散熱材料 散熱材料大致可分為二部份 , 金屬部份及非金屬部份 ( 以成本考量列舉 , 熱管、鎂鋁合金及貴金屬不予考慮 ) , 散熱性以熱傳導率為標準 , 熱傳導率越高 , 熱傳效果越好。 A. 金屬部份 a. 銅：以紅銅、黃銅為主 , 其特性如下 , 但需注意使用黃銅時 , 因製造折彎或衝孔時殘留應力於變形處 , 當鍍錫過後 , 經長時間應變會產生所謂錫鬚之似結晶體 , 導致電弧而使產品失效。改善方法即避免於一次側使用黃銅鍍錫 , 而改為紅銅鍍 (9/1) 亮錫 , 即錫鉛比 9:1, 則可避免錫鬚產生 , 詳細工法請參考機構課內部文件。 種類及特性 密度 (kg/m³) 熱傳率 (W/m ℃ ) 折彎之熱流失率 (%) 銅含量 (%) 紅銅 (Copper 110) 8.9 391.33 0.89% 98 黃銅 (Brass 360) 8.6 116.14 1.48% - b. 鋁：以製造方式 , 有兩類 : 平板及擠型 , 平板類有 AL 1050 、 AL 1100 、 AL 3003 、 AL 5052, 擠型有 AL 6061 、 AL 6063, 茲列舉常用合金。 種類及特性 密度 (kg/m³) 熱傳率 (W/m ℃ ) 折彎之熱流失率 (%) 鋁含量 (%) 特性
AL 1050 2.7 220.8 0.95% 99.5 板 , 片 , 箔 , 擠型 AL 1100 2.76 221.65 0.90% 99.0 板 , 片 , 箔 AL 5052 2.83 138.58 - 96.4 板 , 片 AL 6061 2.92 171.65 0.85% 97.82 擠型 , 板 , 管 AL 6063 2.96 192.13 - 97.95 擠型 , 管 鋁合金之標準化學成份 合金 矽 (%) 鐵 銅 錳 鎂 鉻 鋅 鈦 其餘 鋁 AL 1050 0.25 0.4 0.05 0.05 0.05 - 0.05 0.03 0.03 99.5 AL 1100 0.05 0.05 0.05-0.2 0.05 - - 0.1 - 0.15 99.0 AL 5052 0.2 0.25 0.1 0.1 2.2-2.8 0.15-0.35 0.1 - 0.15 96.4 AL 6061 0.3-0.7 0.5 0.1 0.03 0.35-0.8 0.05-0.25 0.25 0.15 0.1 97.82 AL 6063 0.2-0.6 0.35 0.1 0.1 0.45-0.9 0.1 0.1 0.1 0.15 97.95 B. 非金屬部份 非金屬部份材質以絕緣片及 , 皆以增加接觸面積為主 , 有關絕緣片之資料 , 請參考機構內部規範。 絕緣片特性表： Silicone Pad 厚度 (μ) 熱阻 ( ℃ /W) 熱傳率 (W/m ℃ ) Silicone rubber and fiberglass 9 0.5 0.9 Silicone rubber, Al & BN 7 0.45 0.9 Silicone rubber & BN 9 0.35 1.0 Silicone, Kapton, Al & BN 6 0.4 0.9 Silicone, Kapton & BN 6 0.3 1.1 Non-Reinforced 6 0.2 1.3 Coated Al Foil 6 0.1 2.5 Best Polymer 6 0.2 1.3 Best Silicone rubber & BN 15 0.2 3.5 散熱膏特性表： Thermal Epoxy 熱傳率 (W/m ℃ ) Ablebond 8360 Ag Filled Epoxy 3.7 Thermalloy Conductive Epoxy 5.0 Copper Filled Epoxy 1.73 WR Grace Eccobond 285 1.26 WR Grace Eccobond 281 1.26 Aavid Ther-O-Link Thermal Epoxy 0.39 Aavid High Performance Thermal Epoxy 0.39 Ablestick 84-1 Ag Filled Epoxy 2.5 2. 電子冷卻散熱方式 ( Thermo-Electric Cooling) Thermo-Electric Coolers, 簡稱 TECs, 是一種利用電子 P-N 極為原理 , 於直流電通過兩端時所產生的溫差做熱交換 , 此法並可依照電流方向調整高低溫方向 , 唯此裝置熱傳效率不高 , 但將是未來理想的溫度控制系統主流。 3. 晶體特性與鎖附工法 如何降低晶體及散熱片間的熱阻為熱傳設計中不可忽略的一環,首先要瞭解晶
體的包裝型 式,典型的包裝型式及熱阻值如下: 晶體 包裝型式 Rjc Rja TO-3P Large Diamond 1.52 - TO-18 4.8 m/m Metal Can 146 486 TO-66 Small Diamond 7.5 - TO-220 RCA Type Plastic 6 50 降低 Rch 可從二種途徑著手 , 一是界面中的介質 , 一是鎖付的扭力 ,
METAL TO METAL USING ANINSULATOR CASE BARE JOINT( ℃ /W) W/THERMAL COMPOUND( ℃ /W) W/THERMAL COMPOUND( ℃ /W) TAPE( ℃ /W)
TO-3P 0.2 0.1 0.35 3 MIL MICA TO-66 1.5 0.5 0.25 2 MIL MICA TO-220 2.0 1.5 2.3 3 MIL MICA 上表表示應使用散熱膏 , 來降低熱阻 , 若非必要 , 不加絕緣片 , 而且要選較薄 , 熱傳率高的為佳 ; 另外 , 增加元件的接觸面積及接觸面平整度 , 均可降低熱阻值。其它相關之鎖付工法 , 因涉及組裝及安規 , 請參考機構內部規範執行。 4. 散熱片的選用與設計 散熱片的選用
a. 選用熱導度佳 , 價格低廉的散熱片材料 , 一般為銅或鋁
b. 最大的熱傳速度依序是銀 (410W/M- ℃ ), 銅 (385W/M- ℃ ), 金 (295W/M- ℃ ), 鋁
(202W/M- ℃ ).
c. 最少的成本 , 可分為材料成本及加工成本 , 主要考慮使用最少的材料達到散熱效果 ,
不可過度設計。組裝工法簡單 , 且無隱藏性的品質問題
d. 現在的電子產品要求輕薄短小 , 故以能量密度越來越大 , 對熱傳設計而言 , 面臨更大
的挑戰 , 如何有效運用最小空間來設計 , 為主要重點
e. 自然對流冷卻系統中 , 避免選用鰭片間隔過多且密的散熱片 , 會影響對流效果
f. 自然對流冷卻系統中 , 盡可能增加散熱片的表面幅射率 , 以增家熱幅射效果
散熱片選用的基本算式 :
散熱片傳熱基本關係式如下 : Q = dT / ∑Rθ
其中 Q : 熱元件產生之能量 , 以 Watts 表示
dT : 溫度差 (Tmax to Ta)
∑Rθ : 傳遞之熱阻抗值總和 , 即 Rjh (Junction to Heatsink)
找出散熱片之熱阻抗值即可找出所需之散熱片 , 而傳遞之熱阻抗值基本計算式如下 :
已知 :
1. 晶體的 Transistor Dissipating Q watts 2. 最大的 Junction Temperature, Tmax
3. 環境溫度 , Ta
4. 由晶體手冊中可查出晶片和晶體外殼的熱阻 Rjc( Junction to Case)
5. 絕緣片的熱阻 Rch (Case to Heatsink)
代入
Rjh = Rjc + Rch
而 Junction 和 HS 間的溫差 dT
dT = Rjh * Q = ( Rjc + Rch) * Q
由 dT 可反推出 HS 的最大容許溫度 Th
Th = Tmax – dT = Tmax – ( Rjc + Rch ) * Q
而其最大容許溫差 dTh 為
dTh = Th – Ta = ( Tmax – ( Rjc + Rch ) * Q ) – Ta
故所須 HS 的熱阻值為 Rha
Rha = dTh / Q = [ ( Tmax – ( Rjc + Rch ) * Q ) – Ta ] / Q
所求出之 Rha 可用於快速尋找共用之散熱片替代
熱傳導率單位換算表 單位 W/m K Cal/cm sec ℃Kcal/m h K Btu/ft h ºF Btu/in h ºF W/m K 1 0.002388 0.8598 0.5778 6.933 Cal/cm sec ℃ 418.7 1 360 241.9 2930 Kcal/m h K 1.163 0.002778 1 0.672 8.064 Btu/ft h ºF 1.731 0.004134 1.488 1 12 Btu/in h ºF 0.1442 0.0003445 0.1240 0.083333 1 散熱片設計
A. 散熱片的形狀
1. 散熱片的長 , 寬 , 高 , 厚度等外形尺寸 , 除了受到內部空間的限制外 , 一般而言 , 如果是
固定在 PCB 上 , 高度最好不要超過 60mm, 因為在振動實驗中常是致命傷 , 另外 , 在
製程中也容易被抓取或碰撞到 , 導致裂錫。
2. 為了增加對流效果 , 平板形的散熱片 , 可於末端開岔
3. 當平板形散熱片同時兼具匯流功能 (Bus) 時 , 可利用其彎曲排列之特性 , 引導風向 , 必
要時 , 可於擋風處開孔 , 但電流通過最小寬度為 3mm 。
4. 鋁擠型散熱片 , 其鰭片的方向與流體方向須平行。
5. 設計散熱片時須考慮晶體位置 , 並定義毛邊方向。
B. 散熱片的開孔位置
散熱片的開孔可依晶體的不同分成幾類 :
1. TO-3P : 孔中心至 PCB 高度為 22mm
2. TO-220 : 孔中心至 PCB 高度為 20mm
3. BD1 : 視其規格而訂 , 唯須注意是否有鐵環置於下腳 , 原則以 19mm 為基準 4. 其它 , 若散熱片高度低於 38mm, 則視實際狀況而定
C. 散熱片的固定方式
1. 小型的散熱片 , 可以直接以 Solder Joint 固定即可 , 若重量超過 20 公克或高度大
於 60mm, 長度大於 80mm, 則須要以機構固定 , 用螺絲鎖附或彎腳成型固定之。 2. 為改善 Wave Solder 之品質 , 在 Pin 腳上方 , 開一隔熱孔 , 避免熱由散熱片流出 ,
而使 Pin 腳達不到良好的焊錫溫度。 D. 散熱片的表面處理 散熱片的表面處理主要目的有三： a. 減少表面粗糙度 , 增加熱傳效果 b. 增加熱幅射率 c. 避免金屬氧化 , 使表面產生氧化物 , 造成產品之不定因子 散熱片的表面處理方式 a. 脫脂洗淨：去除表面油脂及洗淨 b. 陽極處理：用電化學方法在鋁和鋁合金的表面生成氧化膜的方式，利用陽極處理可以生成較厚及較硬的氧化膜，並可進行著色的量產作業。 c. 酪酸鹽皮膜：為增進金屬表面抗蝕性 , 並加強表面的接著性 d. 鍍鍚：可分亮錫及霧錫；亮鍚 ( 一般電鍍 ), 即鍍錫層約 3~5 μ m ；霧錫 , 鍚含鉛比例為 90/10 ，在鍍鍚過程中，須先鍍 2.5 μ m( 至少 ) 鎳底，再鍍至少 5 μ m 之鍚。 e. 鍍鋅：主要用於表面著色及防焊處理 其它相關資料 , 請參考機構內部規範。
