如何为您的应用计算散热器尺寸
要计算散热器尺寸，首先必须确定元件结温与环境空气之间所需的总热阻，然后将最大允许温升除以功耗。此计算得出所需的热阻值（单位：°C/W），您需要将其与散热器的性能曲线或数据手册进行匹配。对于功耗为10 W、允许温升为50 °C的处理器，您需要热阻为5.0 °C/W或更低的散热器，这通常对应约75 mm x 75 mm x 25 mm的自然对流挤压铝型材。
散热器尺寸计算的基本公式是什么？
控制方程是一个简单的热路类比：Tj = Ta + (P x Rth)，其中Tj是结温，Ta是环境温度，P是以瓦为单位的功耗，Rth是从结到环境的总热阻。要找到最大允许总热阻，将公式重新排列为Rth(max) = (Tj(max) - Ta) / P。该总电阻是三个串联电阻之和：结到外壳（Rth-jc）、外壳到散热器（Rth-cs）和散热器到环境（Rth-sa）。对于大多数计算，您需要求解Rth-sa，即散热器自身的熱阻，这是唯一可以通过几何形状和材料控制的数值。
作为一个实际示例，考虑一个产生15 W热量、最大结温为150 °C、环境温度为50 °C的MOSFET。允许温升为100 °C，总热阻为6.67 °C/W。如果结到外壳热阻为0.5 °C/W，外壳到散热器界面（使用导热硅脂）为0.2 °C/W，则所需的散热器到环境热阻为5.97 °C/W。然后，您需要选择在您的特定气流条件下数据手册值为6.0 °C/W或更低的散热器。
如何将热阻转换为物理尺寸？
对于采用挤压铝散热器的自然对流，一个有用的经验法则是，1 °C/W的热阻大约需要100至150平方厘米的表面积。对于气流速度为2 m/s的强制对流，每1 °C/W所需的表面积降至约40至60平方厘米。根据这些面积目标，您可以推导出长度、宽度和鳍片高度。例如，一个5 °C/W的自然对流散热器需要约500至750 cm²的总润湿表面积，这可以通过100 mm x 100 mm的基板和12个高度为20 mm的鳍片来实现。
挤压型材的鳍片高度通常在10 mm至40 mm之间，鳍片厚度在1.5 mm至3.0 mm之间，鳍片间距（中心到中心）在5 mm至10 mm之间。对于自然对流，优选7至10 mm的较宽鳍片间距，以减少边界层干扰。对于强制对流，4至6 mm的更紧密间距可增加单位体积的表面积。基板厚度应至少为5 mm以确保热量均匀扩散，但对于直径大于25 mm的热源，建议使用8至10 mm的厚度。
为什么环境温度和海拔在计算中很重要？
环境温度直接降低了散热器表面与周围空气之间的可用温差，而温差是散热的驱动力。如果您的环境温度是70 °C而不是25 °C，对于125 °C的结温限制，允许温升从100 °C降至55 °C，这意味着在相同功率下需要大约两倍的表面积。在较高海拔处，空气密度降低，对流换热系数每升高300米约降低2%至3%。在3000米海拔处，与海平面相比，您可能需要多20%至30%的表面积才能获得相同的性能。
对于自然对流，传热系数通常在5至15 W/(m²·K)之间，具体取决于方向和鳍片几何形状。对于强制对流，该系数根据空气流速在20至100 W/(m²·K)之间。大多数热仿真和数据手册值假设海平面条件，空气温度为20至25 °C。环境温度每高于25 °C 15 °C，散热器性能应降额10%；海拔每高于海平面1000米，也应降额10%。
应该为散热器选择哪种材料？
铝6063-T5是挤压散热器的行业标准，导热系数约为200 W/(m·K)，成本为每公斤3至6美元。铜提供385 W/(m·K)的导热系数，但成本为每公斤8至15美元，重量是铝的3.3倍，因此通常仅在空间极度受限时使用。铝6061-T6强度稍高，但导热系数相同，而ADC12压铸铝由于孔隙率和合金含量，导热系数较低，约为96 W/(m·K)，尽管模具成本较低，但效率较低。
对于大批量应用，铝挤压模具成本为每个型材800至3000美元，交货时间为2至4周。压铸散热器需要10,000至50,000美元的模具，但可以实现更复杂的形状。BQUQ生产线中常见的冲压铝鳍片组件，其热性能在实心挤压件的10%至15%以内，对于年产量超过10,000件的应用，单位成本更低。刮削铜散热器的导热系数接近纯铜，为380 W/(m·K)，但成本比挤压铝高30%至50%。
对于给定的功耗，需要多少表面积？
下表提供了海平面自然对流铝散热器在环境温度以上30 °C温升时的经验表面积要求。这些值假设采用黑色阳极氧化表面，该表面将发射率从0.1（裸铝）提高到0.9，使辐射传热增强20%至30%。
| 功耗（W） | 所需表面积（cm²） | 典型散热器尺寸（mm） | 估算Rth-sa（°C/W） |
| 5 | 200 | 60 x 60 x 15 | 6.0 |
| 10 | 350 | 75 x 75 x 25 | 5.0 |
| 15 | 500 | 100 x 100 x 25 | 4.0 |
| 20 | 650 | 120 x 120 x 30 | 3.0 |
| 30 | 950 | 150 x 150 x 35 | 2.5 |
| 50 | 1600 | 200 x 200 x 40 | 1.8 |
| 75 | 2400 | 250 x 250 x 45 | 1.2 |
对于2 m/s气流的强制对流，将所需表面积除以2.5至3.0。对于5 m/s气流，除以4.0至5.0。这些倍数假设气流沿鳍片通道定向流动且阻塞最小。如果您的应用气流受限或散热器封闭在外壳中，请将表面积增加50%。
如何考虑接触热阻和导热界面材料？
热源与散热器基板之间的界面贡献0.1至1.0 °C/W的热阻，具体取决于表面平整度、压力和所使用的导热界面材料（TIM）。在25 mm x 25 mm的芯片上涂覆0.1 mm厚、导热系数为1.5 W/(m·K)的导热硅脂，约产生0.1 °C/W的热阻。相变材料和导热垫的导热系数为1.0至5.0 W/(m·K)，但由于其厚度，会增加0.2至0.5 °C/W的热阻。为获得最佳性能，请均匀涂覆25 µm至50 µm厚的导热硅脂，安装压力为10至30 psi。
散热器基板的表面平整度应达到0.05 mm或更好，以确保最佳接触。BQUQ将散热器基板的平整度加工至100 mm长度上0.02 mm的公差，确保界面热阻最小。如果必须在一个散热器上安装多个热源，请将它们至少间隔10 mm，并使用至少8 mm厚的基板以避免热耦合。对于大功率IGBT模块，请考虑均温板或热管散热器，与实心铝相比，它们可以将扩散热阻降低50%。
何时应考虑主动冷却而不是更大的散热器？
如果所需的Rth-sa低于1.0 °C/W且散热器体积超过500 cm³，使用风扇的强制对流通常比被动散热器更具成本效益。一个40 mm x 40 mm的风扇在3000 RPM下提供10 m³/h的气流，可以将所需表面积减少60%，将散热器体积从500 cm³降至200 cm³。风扇会增加1至5 W的功耗，平均故障间隔时间为30,000至70,000小时，这对于工业设备可能可以接受，但对于密封的消费电子产品则不可接受。
对于热源功率密度超过50 W/cm²的情况，请考虑液体冷却，其通过冷板和散热器可实现0.05至0.2 °C/W的热阻。热管可有效地将热量从受限热源传递到远程鳍片堆，典型容量为每根热管50至100 W。决策标准很简单：如果被动冷却所需的散热器体积超过1升，或重量超过2公斤，则主动冷却或热管将降低总系统成本和空间。
验证散热器尺寸的实际步骤有哪些？
首先，使用第1节中的公式计算所需的Rth-sa，包括所有界面热阻。其次，使用第4节中的表格估算表面积，然后选择至少提供该面积的标准挤压型材。第三，使用热电偶在热源上测量实际热阻，并在环境空气中放置第二个热电偶，施加已知功率负载。第四，根据方向进行调整：在自然对流中，水平鳍片的性能比垂直鳍片差10%至15%，因为烟囱效应减弱。
使用CFD仿真工具或经验测试来验证鳍片效率，铝鳍片的效率通常在70%至90%之间。如果测得的温升超过计算值15%以上，请检查接触不良、安装压力不足或气流受阻。对于生产验证，BQUQ建议进行1000次从-40 °C到125 °C的热循环测试，以确保TIM不会泵出且散热器不会翘曲。
常见问题解答
小型散热器的合理热阻是多少？
50 mm x 50 mm x 10 mm的铝散热器在自然对流下约提供8至10 °C/W的热阻。相比之下，100 mm x 100 mm x 25 mm的散热器提供3至4 °C/W，200 mm x 200 mm x 40 mm的散热器提供1.2至1.8 °C/W。
阳极氧化如何改善散热器性能？
黑色阳极氧化将表面发射率从0.1提高到0.9，在自然对流中可将辐射传热提高20%至30%。阳极氧化层具有电绝缘性和耐腐蚀性，在10至25 µm厚度下施加时不会增加可测量的热阻。
我可以不使用导热硅脂直接使用散热器吗？
可以，但由于空气间隙的导热系数仅为0.026 W/(m·K)，界面热阻将从0.1 °C/W增加到0.5至1.0 °C/W。这可能会使散热器的有效性能降低30%至50%，因此强烈建议使用导热硅脂或导热垫。
挤压散热器的最大鳍片高度是多少？
标准铝挤压件可实现高达75 mm的鳍片高度，鳍片厚度为1.5 mm，高宽比为1:50。对于75 mm以上的更高鳍片，请使用刮削、粘合或钎焊鳍片组件，这些可以达到150 mm的高度。
如何计算脉冲功率负载的散热器尺寸？
对于脉冲负载，在散热器的热时间常数（铝挤压件通常为1至5分钟）内对功率取平均值。如果脉冲持续时间低于10秒，则利用散热器的热容量来吸收能量尖峰，而不会超过结温。
强制对流散热器需要多大的气流速率？
鳍片通道上至少需要1至2 m/s的气流，才能实现比自然对流提高2.5倍的效果。对于100 mm x 100 mm的散热器，这相当于风扇提供0.6至1.2 m³/min的气流。
定制散热器的成本是多少？
带定制模具的挤压铝散热器模具费用为800至3000美元，材料费为每公斤3至6美元。机加工根据特征每件增加10至50美元，阳极氧化每平方米增加1至3美元。
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