【经验】使用热仿真软件FlothermXT探究散热器底厚对散热的影响
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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
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