【经验】使用热仿真软件FlothermXT探究散热器底厚对散热的影响

时间： 2023-07-01 来源：世强

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在做产品的散热设计时，经常会遇到热源尺寸比散热器的面积小很多的情况，在留给散热器的结构空间一定的情况下，散热器底厚与齿高如何抉择与设计困扰着工程师，为此，本文通过热仿真软件FlothermXT探究散热器底厚对散热的影响，从理论与仿真的角度提供散热器的设计方向。

以下图所示结构做仿真评估案例，热源位于散热器中心，热源尺寸20*20mm，20W功耗，散热器尺寸100*100mm，散热器整体高度20mm。

首先根据上述结构进行理论散热分析，下图为流经散热器的热量传递路径，可以看到，热量从芯片首先传递到散热器底板，大部分热量向上方齿片传递，其他热量通过底板扩散，再传递到其他齿片上，热量经由各个齿片对流散热至空气中，完成热量传递。在整个散热过程中，传热面积与散热面积均扮演着重要的角色，当底板薄，齿片高度增加，齿片散热面积增加，有利于散热，而横向传热面积减小，不利于散热；同样，底板变厚，齿片高度降低，齿片散热面积减小，不利于散热，而横向传热面积增大，有利于散热。那么两者该如何取舍呢？

为了验证底厚对散热的影响，进行了平行对比仿真，保持散热器整体高度20mm不变，底厚从1mm增加到9mm，每隔1mm计算一次，以热源的最高温度做为评判指标，对比各个厚度下的散热器的散热性能。其结果如下图所示，横坐标为底厚，纵坐标为热源最高温度，从结果可以看到，随着底厚的增加，热源最高温度呈现先降低后升高的趋势，在底厚4mm，齿高16mm，该散热器的散热性能最好。

为了更进一步探究原因，对底厚1mm、4mm、9mm的结构进行温度分布云图分析，依次如下图所示。可以看到中心到两端温差依次约为18℃、7℃、4℃，齿片顶部最大温差依次约为15℃、5.5℃、2.8℃，证明底厚约厚，底部均热效果越好，每个齿片的温度越均匀，齿片的利用率更高，然而，虽然9mm底厚的底部温度一致性更好，但由于其齿片高度仅剩11mm，齿片的散热面积大幅降低，其整体温度比4mm底厚更高。所以，综合下来，在此情况下，底厚4mm的散热器，拥有较好的底部均温性，又拥有较大的齿片散热面积，实现了最优的散热性能。

那么底厚4mm在任何场景都适用吗？从理论和上述仿真结果来看，底厚影响的是热扩散过程，如果热源与散热器尺寸相近，底部的热扩散过程对整体散热影响小，此时散热面积占主导；而热源与散热器尺寸相差越大，底部的热扩散过程对整体散热影响大，此时底板厚度占主导。为验证这个分析，保持热源尺寸20*20mm不变，将散热器的尺寸调整到50*50mm与150*150mm进行对比测试，其测试结果曲线如下图所示。从曲线可以得到，50mm散热器最佳散热性能的底厚为2mm，（100mm热器最佳散热性能的底厚为4mm），而150mm散热器最佳散热性能底厚为5mm，呈现出散热器底部面积越大，最佳散热性能对应的底厚越厚的趋势，与上述理论分析相符合。

综上所述，散热器底厚最优值需结合产品整体结构进行分析，整体规律为散热器面积相较于热源越大，选择更厚底的散热器性能更佳，具体厚度可以根据实测或仿真分析确定。热仿真可以通过直观的仿真数据分析，提前为客户避免了多次打样的时间与金钱的浪费，大大提高客户研发效率。如果您也有相关的散热难题或设计需求，可点击如下链接进行热仿真预约：https://www.sekorm.com/service/1-68.html?serviceName=FloTHERM