散熱器是電子產(chǎn)品熱設(shè)計中最常用到的散熱強化部件。其強化原理是增加換熱面積。同熱設(shè)計所有部件的設(shè)計類似，散熱器的優(yōu)化設(shè)計思路也需要從熱量傳遞的三種基本方式出發(fā)。
2.1 熱傳導(dǎo)——優(yōu)化散熱器擴散熱阻
當電子元器件上方附加散熱器時，熱量從器件內(nèi)部傳遞到散熱器上，以及熱量在散熱器內(nèi)部的傳遞都屬于熱傳導(dǎo)。經(jīng)典傳熱學(xué)中熱傳導(dǎo)可以用傅里葉導(dǎo)熱公式描述：
式中， 
表示x方向的熱流密度，其單位是
。T表示溫度。A是導(dǎo)熱方向截面積，k是導(dǎo)熱系數(shù)。
從上式可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱截面積是熱傳導(dǎo)中影響傳熱效率的兩個關(guān)鍵變量。
在常見的金屬中，鋁合金和銅合金的導(dǎo)熱效能和經(jīng)濟性綜合表現(xiàn)是比較好的。因此常見的散熱器材質(zhì)主要是鋁合金和銅合金。
表6-1 常見機加工材料在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)
提高導(dǎo)熱系數(shù)是為了降低擴散熱阻。擴散熱阻尤其在芯片熱流密度較高，或者翅片長厚比較大時表現(xiàn)明顯。但材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高是有限的，提高散熱器基板厚度、翅片厚度等從導(dǎo)熱截面面積出發(fā)的手段，又受到空間的限制。這樣，熱管和均溫板的使用，在某些熱流密度大的場景就非常有優(yōu)勢。
熱管和均溫板的具體選用和散熱強化原理會在第九章詳細闡述，簡單來講，可以將其視為一種導(dǎo)熱系數(shù)極高的傳熱部件。在高熱流密度的場景中，通過在散熱器底部鑲嵌熱管或均溫板，可以有效降低擴散熱阻，優(yōu)化散熱。
圖6-8 均溫板的效果仿真示意圖：無均溫板（左）底部鑲嵌均溫板（右）
注：圖示數(shù)字僅供定性示意均溫板的效果，具體情況以實際場景為準。
2.2 對流換熱——強化對流換熱效率
元器件的熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞到散熱器上之后，需要通過對流和輻射換熱將熱量散熱器到環(huán)境中去，完成熱量的散失。散熱器翅片和周圍流動的空氣之間的換熱方式，是對流換熱。先來看用來描述對流換熱的牛頓冷卻定律：
式中，q為傳熱量，h稱為對流換熱系數(shù)，A為換熱面面積，Tw為固體表面溫度，Tf為流體溫度。
顯然，通過提升對流換熱面積，可以直接強化換熱。但提升換熱面積，通常意味著散熱器要做的尺寸更大，進而導(dǎo)致產(chǎn)品整體尺寸變大。這不符合電子產(chǎn)品越來越緊湊的趨勢。另外，絕大多數(shù)情況下，加大散熱器還意味著散熱成本提升。當空間給定，加大散熱面積還必須要考慮系統(tǒng)風(fēng)阻，因為細密的散熱器在加大散熱面積的同時，還會增加風(fēng)阻，影響內(nèi)部空氣流動，進而降低對流換熱系數(shù)。一個常規(guī)的現(xiàn)象足以說明翅片密度和風(fēng)阻之間的關(guān)系這一點：強迫風(fēng)冷的產(chǎn)品中散熱器翅片密度通常比自然散熱產(chǎn)品中散熱器翅片密度大。
圖6-9 強迫風(fēng)冷服務(wù)器中的細密齒散熱器和自然散熱產(chǎn)品中的稀疏齒散熱器
我們看到，牛頓冷卻定律中，換熱面積和對流換熱系數(shù)是一個乘積的關(guān)系，要獲得最佳的散熱面積和對流換熱系數(shù)的綜合最優(yōu)值，需要多次測試優(yōu)化對比。由于仿真軟件的廣泛使用，在打樣測試前，為節(jié)省成本，提高效率，通常會進行仿真預(yù)測最優(yōu)的散熱器設(shè)計方案。尋找散熱面積和對流換熱系數(shù)的綜合最優(yōu)點是熱設(shè)計工程師的重要工作內(nèi)容。
除了單純改變散熱器齒間距來獲得更高的對流換熱系數(shù)，散熱器的斷齒、斜齒、開花齒等，都是在散熱面積與對流換熱系數(shù)之間做權(quán)衡。通過降風(fēng)阻、間隙吸入冷風(fēng)的效應(yīng)，來優(yōu)化散熱效果。
圖6-10 一些通過擾動空氣流動提高換熱效率的散熱器設(shè)計
在系統(tǒng)級的產(chǎn)品中，散熱器設(shè)計、風(fēng)扇選型和風(fēng)道設(shè)計三者之間的組合優(yōu)化是相當復(fù)雜的。當存在多個發(fā)熱點、多個散熱器、多顆風(fēng)扇時，需要各部件之間相互配合，做到有效利用系統(tǒng)風(fēng)量，弱化彼此熱點間的級聯(lián)效應(yīng)，從而達到最優(yōu)的設(shè)計組合。
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