轻松搞定自然对流散热器的热阻估计

概述

       大部分芯片热路径可以分上下两个主要路径，当功耗达到自身不能满足散热要求时，就必须额外增加散热措施，散热器是一个选择。它可以提高散热面积，在内部有足够空间时散热器可以带走更多热量，也可以与外壳做成一体式结构适配不同得场景。今天我们就来聊聊散热器主要的相关热阻，帮助我们快速确定芯片结温，来给设计者进行一个参考。

正文

对于采用自然散热方式的电子产品，增加散热面积是一种有效的方式。对于对流、导热、辐射来说，增加面积和散热量是成线性正比的，如下公式所示，散热器就是主要为此设计的。

其中Q为散热量，k为导热系数，A热流量通过的面积，δ为热传导经过的厚度大小，ΔT为温差，h为对流换热系数，Tw为外壁温，Tf为流体温度，ε为发射率，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，辐射的温度单位为K。

        散热器的热阻可以分为4部分，1.界面热阻；2.扩散热阻；3.导热热阻；4.对流换热热阻，其中导热热阻是散热器本身产生，而对流辐射热阻是由辐射热阻和自然对流热阻组成，它们两跟温度是强相关的，如下公式所示，都含有温度项，除此之外，自然对流热阻跟外界流体性质也有关。扩散热阻是跟热源和散热器大小比例和所处位置相关联。界面热阻这里主要是界面材料的热阻大小，忽略了界面材料和散热器直接会存在的接触热阻，认为完全填充无缝隙。

公式为

其中Rtotal为散热器总热阻，RTIM为界面热阻，Rsp为扩散热阻，Rcond为导热热阻，Rconv，rad为对流辐射热阻

1.      界面热阻：

其中δ是界面材料的厚度，k是界面材料导热系数，A是热流量通过界面材料的横截面积。

2.      扩散热阻

Lee[1][2]等人给出如下求解公式：

其中

其中散热器导热系数为k，半径为r2，基底厚度为t，换热系数为h，热源半径为r1.

由于热源、散热器基底一般为非圆形设计，所以需要转化，公式为：

其中As为热源的横截面积，Ahs散热器基底长与宽的乘积；

3.      导热热阻

  散热器存在基底的导热热阻和翅片的导热热阻两部分，

  散热器基底导热热阻

其中t为散热器基底厚度

翅片热阻

其中H为翅片长，Afin为翅片的横截面积；

散热器基底和翅片属于串联，而各翅片之间属于并联，

其中N为齿数

4.      对流辐射热阻

为了简化问题可以将对流辐射换热系数h设置为常数,但可能精确度产生误差；

其中Af为翅片与流体的换热面积，Ahs为散热器基底长与宽的乘积