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博伊德散热器制造指南:选择散热器的快速和简单的指南

概述

数十年来,Boyd 建立了世界上最大的散热器和热管理技术产品组合。我们利用这些经验和知识来开发我们的散热器参考指南,以帮助您找到合适的散热器解决方案。本文介绍最流行的无源散热器类型、集成、定制以及如何为您的应用选择合适的制造和鳍类型。选择正确的散热器对于优化冷却至关重要,在正确的价格点上以更紧凑的几何结构实现更高的性能。我们的快速参考指南将帮助您决定从哪里开始构建和选择散热器。

散热器基础知识

散热器是冷却电子设备中最基本的组件之一。对于任何无法通过其自身传导冷却而需要比散热器更有效冷却的热源,都需要散热器将热量从源中移开并通过更优化的传导或对流消散。

散热器主要由底座和翅片构成。底座通常是与热源接触并将热量从热点传播到翅片的平面表面。翅片可以切割或构造成任意数量的几何形状,这些几何形状通常垂直于底座以分散热量。目标是优化散热器的表面积,以便可以传递和消散最多的热量。

除了极少数例外,散热器由导热金属制成,最常见的是铝。铝的导热系数为每米每开尔文235瓦,重量轻且价格低廉,使其成为更轻、更具成本效益的散热器的理想选择。铜也是一种流行的选择。虽然铜更昂贵、更重,但由于其在 400 W/mK 时的高导热性,对于高性能应用而言,铜可能是必需的。

最后,工程师经常将散热器分为“自然”对流或“强制”对流。自然对流(无源)散热器可最大化表面积并传导热量,而无需添加有源组件。强制对流(主动)散热器设计用于利用风扇和鼓风机等组件迫使较冷的空气穿过翅片,从而产生湍流并提高散热器的冷却性能。

对流类型之间的翅片密度和长度存在差异,即使它是非常相似的结构。
基本型散热器用于较小的应用,这些应用散发的热量非常少,并且不需要散热器。自然对流散热器。热量扩散到整个底座和鳍片上。
利用撞击式风扇的强制对流散热器迫使空气穿过翅片并产生湍流。
冲压散热器

散热器制造

冲压板级

板级散热器可以冲压或挤压。冲压散热器由经过渐进式冲压工艺的金属板制成,每个金属冲压通过冲压模具时都会添加细节和特征。

冲压散热器几何形状专为特定的电子封装类型而设计,以确保在PCB上优化安装和功能。这些散热器可以是被动的,也可以是有源的,基于添加一个风扇,通常用于增加整个电路板或系统的气流。

优点
  • 非常适合低功耗应用(0-5W)
  • 快速和简单组装的选项
  • 低成本
  • 可扩展的高容量
  • 所有包裹类型的目录选项
权衡和限制
  • 不适用于超过 5W 的应用
  • 尺寸限制,不大于50mm
  • 只能在一台设备上使用 - 不能用于冷却多个热源
要问自己的问题
  • 您正在冷却什么包装或设备?
  • 设备工作所需的最高环境温度是多少?
  • 您的设备耗散了多少功率?
  • 您的设备外壳最高温度是多少?
  • 您的散热器有多少空间?
  • 您计划的组件安装方法,孔,粘合垫,夹子是什么?
  • 会有粉丝吗,它们会放在哪里?

挤压铝

挤压铝是最受欢迎和最具成本效益的制造之一。挤压散热器的尺寸范围取决于应用,对于板级较小,对于中等功率应用,则更大。它们可以根据翅片形状和螺距设计用于被动或主动冷却。板级挤压散热器通常用于BGA和FPGA等封装。

选择合适的挤压散热器很大程度上取决于所需的轮廓。挤压散热器是通过创建确定翅片密度,间距和长度以及底座高度和宽度的型材模具制成的。软化的铝被推过模具,形成一个长棒,称为毛棒,具有与模具相同的轮廓和尺寸。然后将条形切成较小的标准形状条形条形/矩形或自定义长度。这些进一步加工和完成以创建定制的散热器。这个过程是快速,经济高效和可扩展的;这就是为什么许多人在寻找解决方案时首先考虑挤压散热器的原因。

优点
  • 中低功率应用的理想选择
  • 快速且经济高效
  • 可扩展的高容量
  • 简单自定义
  • 一体式结构,热阻有限
权衡和限制
  • 不适用于高功率应用
  • 尺寸限制,尺寸不能大于约23“W,47”L
  • 大尺寸的精加工限制
要问自己的问题
  • 您使用的是自然对流还是强制对流?
  • 您需要机加工吗?
  • 您的设备将运行的最高环境温度是多少?
  • 您的设备耗散了多少功率?
  • 您的设备外壳最高温度是多少?
  • 您的设备尺寸和热源占地面积是多少?
  • 您的散热器有多少空间?
铝挤压型材
Max Clip散热器
削鳍式散热器

已切削

刮削是由单块金属制成的织物,其中层从底座顶部部分切片。这些层被折叠回去垂直于基部,并且以固定的间隔重复该过程以创建翅片。一体式结构降低了热阻,因为翅片和底座之间没有接头或材料。该工艺还实现了高翅片密度和薄翅片几何形状,从而实现更大的散热器表面积和更高的传热。

与挤压散热器不同,切削翅片散热器不依赖于工具和多个步骤;相反,他们使用一种切削刀具,从而降低了模具成本,提高了设计灵活性,并加快了原型设计。

优点
  • 更高的冷却效率和更好的性能
  • 薄翅片和高翅片密度能力
  • 降低模具成本
  • 经济型铜制造
权衡和限制
  • 不适用于高功率应用
  • 尺寸限制,请参阅尺寸
  • 薄鳍可能更脆弱
  • 不利于高容量
要问自己的问题
  • 您使用的是自然对流还是强制对流?
  • 您计划如何安装?(推针最常见)
  • 您的设备将运行的最高环境温度是多少?
  • 您的设备耗散了多少功率?
  • 您的设备外壳最高温度是多少?
  • 您的散热器有多少空间?
  • 您是否计划快速扩展?

Bonded Fin (& Brazed)

粘合翅片散热器是一种两件式组件,由挤压或机加工的底座组成,带有凹槽或槽以及翅片,这些槽或翅片用导热粘合剂(通常是环氧树脂或焊接剂)连接。为了提高结构完整性和改善热性能,这些结构有时会进行钎焊以加强热粘合和机械粘合。

翅片通常由卷材冲孔或从薄板坯切割而成,而底座通常进行挤压、压铸或机加工。底座还可以包括额外的热集成,例如嵌入式热管或蒸汽室,以实现更高的性能。通过实现更多数量的更长的翅片和其他定制,粘合散热器以更小的占地面积提供更高的性能,更大的表面积。

优点
  • 占地面积更小,适用于空间有限的应用
  • 高热性能
  • 适用于强制对流,对气流长度没有限制
  • 紧密翅片间距
  • 高翅片长宽比
  • 易于集成,设计灵活性高
  • 降低工具成本
权衡和限制
  • 不适用于高振动或高冲击的应用
  • 当要求热阻低于0.01°C/W时不能使用
要问自己的问题
  • 需要耗散多少功率?
  • 热源的占地面积和位置是什么?
  • 什么是环境温度和最大散热器温度?(或所需的热阻)
  • 什么是几何或重量限制,整体尺寸?
  • 您需要风扇吗?
  • 您的材料偏好是什么?
  • 您的目标费用是多少?
粘结翅片散热器
粘结翅片散热器
拉链翅片散热器组件

拉链鳍

拉链翅片由一系列单独的冲压金属板鳍片制成,这些鳍片使用联锁功能折叠和压缩在一起。翅片长度和间隙因冲压模具而异。翅片可以关闭以创建翅片管道,也可以根据应用要求保持打开以进行多向气流。翅片堆叠通常焊接、钎焊或环氧树脂到散热器底座或热管上,以获得完整的热组件。顶部和底部的翅片连接提高了机械稳定性,使散热器更耐用。

拉链翅片堆垛提供高度的设计灵活性,使其能够用于高度集成的解决方案,从嵌入式和运输热管和蒸汽室到风扇和大型系统等一系列技术。

优点
  • 高热性能
  • 强制对流的理想选择
  • 易于集成,设计灵活性高
  • 降低工具成本
  • 重量更轻
  • 可用于提高热管效率
  • 提高机械完整性
权衡和限制
  • 低热阻要求的一些限制
要问自己的问题
  • 您是否在利用强制对流?
  • 需要耗散多少功率?
  • 热源的占地面积和位置是什么?你有垂直空间吗?
  • 什么是环境温度和最大散热器温度?(或所需的热阻)
  • 什么是几何或重量限制,整体尺寸?
  • 您是否正在考虑使用热管?

折叠翅片

折叠翅片是通过折叠工艺将金属板通过折叠工艺来构造的,以创建具有更大表面积的各种几何形状。虽然这些翅片可用于一系列技术,包括液体冷板;它们通常粘合或钎焊到底座上以形成散热器。

优点
  • 增加表面积和翅片效率
  • 高热通量密度
  • 更多材料选择
  • 重量 轻
权衡和限制
  • 当空气直接通过管道输送到散热器时效果最佳
  • 可能产生更高的成本
折叠式翅片散热器
压铸散热器

压铸散热器

压铸散热器是单件式结构。它们主要为重量敏感、需要卓越的外观表面质量或具有高度复杂的几何形状的应用而大批量生产。这些解决方案是通过将导热合金倒入近净形状的定制模具中,然后进行轻加工并完成最终产品。

优点
  • 大批量、高性能应用的理想选择
  • 适用于复杂的几何形状
  • 低热阻或无热阻
权衡和限制
  • 高昂的初始一次性模具成本

其他组件

散热器可以很容易地与其他热技术集成,以大大提高其性能。与散热器一起使用的最流行的技术是热界面材料,风扇和鼓风机等空气移动器,热管和蒸汽室。这些不同的解决方案可以降低热阻,改善散热和底座冷却性能,提高翅片效率,并确保散热器结构的全面优化。

导热界面材料

热界面材料 (TIM) 的范围从间隙填充垫到导热硅脂和薄膜。热界面材料是应用于散热器和热源之间的导电材料,用于降低热阻并增加热扩散。无论散热器底座多么光滑,当直接放置在热源上时,设备和散热器之间都会有微小的气隙,阻碍热传递。这些材料填充气穴以改善传热。

导热材料类型

导热膏
  • 最常用的 TIM
  • 低界面电阻
  • 最适合平坦表面
  • 由制造商筛选(如打印筛选)
填隙料
  • 弹性片材,不含硅胶或无硅酮
  • 不同厚度
  • 可用于一个散热器上不同高度的多个设备
  • 适应公差堆叠
  • 可进行电气隔离
粘合剂和环氧树脂
  • 高导热性化合物,固化和硬化
  • 可以形成机械粘合并降低界面电阻
  • 导热胶带
  • 以卷状形式提供或由制造商直接应用
相变
  • 蜡状材料,在特定温度(通常为50-65°C)下熔化
  • 极薄的粘接,极低的界面电阻
  • 比润滑脂或环氧树脂更清洁
  • 需要弹簧安装力
Films & Pads
  • 传导热量的薄材料
  • 通常灵活
  • 最适合电隔离
  • 石墨例外:不灵活,电气隔离,不可重复使用,但提供最佳的散热
硬件
  • 导热陶瓷,一般为氧化铝
  • 电气隔离

风扇和鼓风机

风扇是提高热性能的最简单、最具成本效益的方法。通过添加风扇或鼓风机,您可以在相同的占地面积内增加气流和冷却。风扇可根据不同的速度、电压和功能类型进行定制,并且是大多数无源解决方案不是关键要求的应用的首选。风扇盘用于更高功率的应用,以实现经济高效的高性能冷却。

鼓风机的尺寸和用途也各不相同,是消费电子产品热点冷却的理想选择,因为它们可以设计得非常薄,具有局部,高度定向的冷却。或者鼓风机有更大的轮廓,例如Boyd的双入口鼓风机,设计用于更高性能的冷却和更低的声学,适用于企业计算设施和机架冷却等应用。

要问自己的问题
  • CFM需要多少气流?
  • 您需要什么直流电压,5V,12V,24V,48V(交流电压的可用性有限)
  • 你们的尺寸限制是什么?(高度,长度,宽度)?
  • 您是否需要额外的控制线选项?
  • 你有噪音限制吗?如果是这样,什么分贝?
  • 您是否有任何系统级压力要求,通常以压降来衡量?
  • 风机将在什么环境条件下运行?(例如,室外、灰尘或雨水暴露)
风扇散热器组件
双宽双入口鼓风机
散热热管组件
输送热管组件

热管和蒸汽室

热管和蒸汽室是被动式两相冷却技术。热管具有灯芯,通常是烧结铜,将其添加到空心管的内部,通常也是铜。将非常少量的水或流体放置在热管内,并对其进行真空密封。

当热源与热管接触时,流体蒸发并远离热源。热量从热源转移到消散点,液体在热管中冷凝,释放热量。与固体金属相比,这可以实现更快的传热和分散。

蒸汽室的制造方式类似,但具有平面几何形状,以改善热扩散。当在集成散热器组件中使用时,蒸汽室嵌入底座中,以优化整个散热器占地面积的热传递。蒸汽室是各种设备类型和天际线的理想选择。

热管可用于通过将底座连接到翅片堆叠中的另一个点来提高散热器翅片效率,以更好地利用整个翅片高度。然而,它们最常在散热器内用于类似于蒸汽室的基础热量扩散。可以放置热管以最佳设计容纳安装和多个热源。

下一步是什么?

散热器将继续成为热管理系统不可或缺的一部分,散热器的制造和设计可能性比大多数工程师意识到的要多得多。虽然散热器基础知识相当标准,但今天的选项和自定义数量远远超出了已经使用了几十年的传统散热器。许多人没有意识到,通过利用具有正确定制选项的最佳制造方法,它们可以节省时间,金钱,空间和重量,同时大大提高冷却和设备性能。

博伊德公司设计散热器已有数十年的历史。自从第一个个人和企业电子产品被引入以来,早在我们所知道的互联网出现之前。在那段时间里,散热器技术随着新的结构,技术和制造能力而取得了重大进展。随着热管理需求的发展,这一趋势将继续下去。随着散热解决方案的发展,新材料、更高性能的结构和创新的技术集成正在进入市场。

Boyd Corporation数十年的创新专业知识,经验,资源和将多种功能集成到简化产品中的独特方法将继续使公司保持在热创新和不断改进制造方法的最前沿。如果您准备改进或改造旧型号的散热器,或者希望为下一代应对新的挑战,请首先联系Boyd Corporation,以了解有关散热器结构,定制和其他可能性的更多信息,以更好地优化冷却。

有疑问?我们随时可以提供帮助!