новости

Что такое сопротивление растеканию тепла в радиаторе и как оно влияет на тепловые характеристики?

Распространение тепла — это дополнительное тепловое сопротивление, возникающее при переходе теплового потока от небольшого концентрированного источника тепла к более крупному и толстому основанию радиатора, что заставляет тепло распространяться в боковом направлении, прежде чем достигнуть ребер. Количественно это разница между фактическим тепловым сопротивлением основания радиатора и теоретическим сопротивлением, рассчитанным в предположении одномерного теплового потока. На практике для типичного кристалла процессора размером 10 мм x 10 мм на основании радиатора размером 90 мм x 90 мм, сопротивление растеканию тепла может составлять от 20% до 50% общего теплового сопротивления переход-окружающая среда, при этом значения варьируются от 0,2 К/Вт до 1,5 К/Вт в зависимости от толщины основания и материала.

Почему сопротивление растеканию тепла важнее сопротивления теплопроводности?

Сопротивление растеканию тепла часто доминирует в тепловом тракте современной электроники, потому что источники тепла уменьшаются, в то время как радиаторы остаются относительно большими. Рассмотрим модуль IGBT размером 15 мм x 15 мм, установленный на алюминиевом радиаторе размером 120 мм x 120 мм с основанием 10 мм. Одномерное сопротивление теплопроводности через основание составляет приблизительно 0,05 К/Вт (при теплопроводности алюминия 180 Вт/м·К), но фактическое сопротивление растеканию тепла может достигать от 0,8 К/Вт до 1,2 К/Вт. Это означает, что сопротивление растеканию тепла в 16–24 раза больше, чем чистое сопротивление теплопроводности. В системах с принудительной конвекцией, где сопротивление со стороны ребер составляет около 0,3 К/Вт, сопротивление растеканию тепла становится ограничивающим фактором, напрямую контролируя пиковую температуру перехода. Инженеры, игнорирующие сопротивление растеканию тепла, могут занизить температуру перехода на 10–30 °C, что приведет к преждевременному отказу компонентов или снижению номинальной мощности.

Каково математическое определение сопротивления растеканию тепла?

Сопротивление растеканию тепла определяется как отношение избыточной температуры в центре источника тепла к полному тепловому потоку за вычетом одномерного сопротивления теплопроводности. Для круглого источника тепла радиусом a на полубесконечной пластине сопротивление растеканию тепла определяется по формуле R_растекание = 1 / (2 · k · a), где k — теплопроводность в Вт/м·К. Для источника тепла радиусом 5 мм на алюминиевом основании (k = 180 Вт/м·К) это дает 0,56 К/Вт. Для квадратного источника эквивалентный радиус равен a_эфф = 1,13 · (L/2), где L — длина стороны. Полное аналитическое решение для конечного прямоугольного основания включает бесконечные ряды гиперболических функций, но ключевыми параметрами являются отношение площади источника к площади основания, толщина основания и теплопроводность. При толщине основания, превышающей радиус источника более чем в 3 раза, сопротивление растеканию тепла приближается к решению для полубесконечной пластины; для более тонких оснований сопротивление резко возрастает, поскольку тепло не может распространиться до достижения ребер.

Как толщина основания влияет на сопротивление растеканию тепла?

Толщина основания является наиболее критичным проектным параметром для контроля сопротивления растеканию тепла, поскольку она определяет, насколько сильным может быть боковое распространение тепла до того, как оно достигнет основания ребер. Для источника тепла размером 10 мм x 10 мм на алюминиевом основании размером 100 мм x 100 мм увеличение толщины основания с 3 мм до 10 мм снижает сопротивление растеканию тепла с 1,8 К/Вт до 0,9 К/Вт, что дает улучшение на 50%. Однако выгода уменьшается за пределами определенной точки: увеличение с 10 мм до 20 мм снижает сопротивление растеканию тепла только с 0,9 К/Вт до 0,7 К/Вт, что составляет улучшение на 22%. Оптимальная толщина обычно составляет от 3 до 5 характерных длин источника тепла, за пределами которых дополнительный материал добавляет вес и стоимость без пропорциональной тепловой выгоды. Для медных оснований (k = 390 Вт/м·К) та же геометрия дает значения сопротивления растеканию тепла примерно на 54% ниже, чем у алюминия, но медь в 3,3 раза плотнее и стоит примерно в 5–8 раз дороже за килограмм.

Какие материалы наиболее эффективно минимизируют сопротивление растеканию тепла?

Теплопроводность материала напрямую и обратно пропорционально влияет на сопротивление растеканию тепла, что делает выбор материала вторым по важности фактором после геометрии. Алюминиевые сплавы (6061-T6, 6063) с теплопроводностью от 150 до 180 Вт/м·К являются отраслевым стандартом для применений, чувствительных к стоимости, обеспечивая значения сопротивления растеканию тепла от 0,8 до 1,5 К/Вт для типичных геометрий кулеров для процессоров. Медь (C11000) с теплопроводностью 390 Вт/м·К снижает сопротивление растеканию тепла примерно на 55% по сравнению с алюминием, но добавляет значительный вес и стоимость. Композитные решения, такие как медные вставки, встроенные в алюминиевые основания, или паровые камеры, становятся все более распространенными: медная вставка толщиной 2 мм под источником тепла может снизить сопротивление растеканию тепла на 35–45% при дополнительном весе всего 15%. Медно-алмазные композиты (теплопроводность до 600 Вт/м·К) используются в высококлассных лазерных диодах, но стоят более 200 долларов США за квадратный сантиметр. Для большинства коммерческих применений практическая рекомендация — использовать медные вставки, когда плотность теплового потока превышает 50 Вт/см², поскольку тепловая выгода перевешивает сложность производства.

Как инженеры могут рассчитать сопротивление растеканию тепла для реальных геометрий?

Для прямоугольных источников тепла и оснований наиболее точным практическим методом является корреляция Ли и др., которая обеспечивает решения в замкнутой форме для сопротивления растеканию тепла прямоугольного источника на прямоугольном основании с конвективными граничными условиями. Корреляция требует соотношения сторон источника и основания, толщины основания и коэффициента конвективной теплопередачи на стороне ребер. Для основания с коэффициентом конвекции 5000 Вт/м²·К (типично для высокопроизводительных вентиляторов) сопротивление растеканию тепла для квадратного источника 10 мм на квадратном основании 60 мм с толщиной 8 мм составляет приблизительно 0,65 К/Вт для меди и 1,4 К/Вт для алюминия. Когда радиатор имеет паровую камеру или тепловые трубки, встроенные в основание, эффективную теплопроводность в плоскости можно рассматривать как анизотропную, со значениями в плоскости от 1000 до 5000 Вт/м·К, что снижает сопротивление растеканию тепла ниже 0,2 К/Вт. Для геометрий, отклоняющихся более чем на 20% от стандартных прямоугольных форм, рекомендуется вычислительная гидродинамика (CFD) с использованием сопряженного теплообмена, но аналитические корреляции обеспечивают точность в пределах 5–10% для типичных ребристых радиаторов.

Когда инженерам следует проектировать с учетом сопротивления растеканию тепла, а когда — сопротивления ребер?

Приоритет проектирования зависит от соотношения сопротивления растеканию тепла к сопротивлению ребер, которое определяется размером источника тепла относительно площади основания радиатора. Когда источник тепла покрывает более 50% площади основания радиатора, сопротивление растеканию тепла пренебрежимо мало (ниже 0,1 К/Вт), и доминирует сопротивление ребер, поэтому усилия по проектированию следует сосредоточить на плотности ребер и воздушном потоке. Когда источник тепла покрывает менее 10% площади основания, сопротивление растеканию тепла может превышать сопротивление ребер в 2–4 раза, и толщина основания или встроенные тепловые трубки становятся основными рычагами проектирования. Практическое эмпирическое правило: если площадь источника тепла составляет менее 1/10 площади основания радиатора, увеличьте толщину основания на 50%, прежде чем добавлять больше ребер. Этот порог подтверждается тепловыми симуляциями для светодиодных модулей освещения, где чип размером 5 мм x 5 мм на радиаторе диаметром 60 мм показывает, что увеличение толщины основания с 4 мм до 8 мм снижает общее тепловое сопротивление на 28%, в то время как добавление 20% площади поверхности ребер снижает его только на 12%.

Каково влияние сопротивления растеканию тепла на температуру перехода?

Повышение температуры перехода над температурой окружающей среды является суммой отдельных сопротивлений: переход-корпус, корпус-радиатор и радиатор-окружающая среда, где радиатор-окружающая среда включает как сопротивление растеканию тепла, так и сопротивление ребер. Для процессора мощностью 100 Вт на типичном алюминиевом радиаторе с основанием 10 мм и ребрами 40 мм сопротивление растеканию тепла 1,0 К/Вт вносит 100 °C в общее повышение температуры, в то время как сопротивление ребер 0,5 К/Вт вносит 50 °C. Это означает, что сопротивление растеканию тепла составляет 67% общего теплового сопротивления радиатора. При переходе на медное основание или паровую камеру сопротивление растеканию тепла падает до 0,2 К/Вт, снижая вклад радиатора со 150 °C до 70 °C при той же рассеиваемой мощности 100 Вт. На практике это позволяет либо уменьшить размер радиатора на 35%, либо увеличить допустимую рассеиваемую мощность на 25% при том же пределе температуры перехода 85 °C. Для силовой электроники с модулями IGBT, работающими при пределе температуры перехода 125 °C, правильное управление сопротивлением растеканию тепла может продлить срок службы устройства на 40% согласно моделям срока службы Аррениуса.

Как качество производства влияет на сопротивление растеканию тепла?

Интерфейс между источником тепла и основанием радиатора вносит дополнительное сопротивление, которое усугубляется сопротивлением растеканию тепла, и производственные допуски напрямую влияют на это значение. Типичный термоинтерфейсный материал (TIM) толщиной 0,05 мм и теплопроводностью 3 Вт/м·К добавляет контактное сопротивление 0,17 К/Вт для кристалла размером 10 мм x 10 мм, что сопоставимо с сопротивлением растеканию тепла толстого медного основания. Плоскостность поверхности 0,02 мм или лучше и шероховатость поверхности Ra 0,8 мкм или ниже требуются для достижения таких характеристик TIM; отклонения увеличивают контактное сопротивление на 50–100%. Для оснований радиаторов производство BQUQ использует обработку на станках с ЧПУ с допусками ±0,05 мм по толщине основания и ±0,02 мм по плоскостности, что гарантирует достижение расчетных значений сопротивления растеканию тепла в производстве. Радиаторы, изготовленные методом строгания или штамповки из более тонкого материала, не могут обеспечить требуемую толщину основания для оптимального растекания тепла, поэтому для применений с плотностью теплового потока выше 30 Вт/см² рекомендуются кованые основания или основания, обработанные на станках с ЧПУ.

Каковы практические правила проектирования для минимизации сопротивления растеканию тепла?

Наиболее эффективные правила проектирования в порядке убывания влияния: во-первых, увеличьте толщину основания как минимум до 3 характерных длин источника тепла; во-вторых, используйте материалы с высокой теплопроводностью или вставки в области непосредственно под источником тепла; в-третьих, убедитесь, что источник тепла отцентрирован на основании, чтобы избежать краевых эффектов, которые увеличивают сопротивление растеканию тепла до 40%; в-четвертых, поддерживайте соотношение площади источника к площади основания ниже 1:10, чтобы обеспечить достаточное боковое распространение; и в-пятых, используйте несколько меньших источников тепла, расположенных на расстоянии друг от друга, вместо одного концентрированного источника, что может снизить сопротивление растеканию тепла на 30% при той же общей площади. Для типичного светодиодного модуля мощностью 50 Вт эти правила могут снизить общее тепловое сопротивление с 2,5 К/Вт до 1,2 К/Вт, снижая температуру перехода светодиода на 65 °C и увеличивая поддержание светового потока с 70% до 90% в течение 50 000 часов. При сочетании этих правил с оптимизированной конструкцией ребер общая производительность радиатора улучшается на 40–60% по сравнению с наивной конструкцией с тонкими основаниями и чрезмерно большими ребрами.

Можно ли полностью устранить сопротивление растеканию тепла?

Сопротивление растеканию тепла невозможно устранить в любом радиаторе, который больше источника тепла, но его можно снизить до пренебрежимо малых уровней с помощью активных технологий растекания тепла. Паровые камеры и тепловые трубки достигают эффективной теплопроводности в плоскости от 5000 до 20000 Вт/м·К, что снижает сопротивление растеканию тепла ниже 0,05 К/Вт для большинства геометрий, фактически устраняя его как проектное ограничение. Компромисс — стоимость: паровая камера добавляет от 8 до 15 долларов США за единицу по сравнению с 1–3 долларами США за алюминиевое основание, а сложность производства увеличивает время выполнения заказа на 2–3 недели. Для применений с плотностью теплового потока ниже 30 Вт/см² стоимость паровых камер редко оправдана, и правильно спроектированное медное основание или основание с медной вставкой обеспечивает достаточную производительность. Для применений с высокой плотностью теплового потока выше 100 Вт/см², таких как лазерные диоды или высококлассные графические процессоры, паровые камеры являются единственным практическим решением для поддержания сопротивления растеканию тепла ниже 0,1 К/Вт при сохранении приемлемого веса.

Каков наилучший подход к проверке сопротивления растеканию тепла в прототипах?

Наиболее надежным методом проверки является тест теплового сопротивления ASTM D5470, который измеряет общее тепловое сопротивление радиатора при контролируемом тепловом потоке и сравнивает его с сопротивлением ребер, рассчитанным на основе измерений воздушного потока. Для прототипа радиатора сопротивление растеканию тепла получается путем вычитания известного сопротивления ребер (рассчитанного из геометрии ребер и измеренного воздушного потока) из измеренного общего сопротивления. Термотестовое устройство с нагревателем размером 10 мм x 10 мм и встроенными термопарами в источнике тепла и на краю основания обеспечивает прямое измерение градиента температуры, который определяет сопротивление растеканию тепла. Типичная неопределенность измерения составляет ±5% при использовании калиброванных термопар с точностью ±0,5 °C и измерении теплового потока в пределах ±2%. BQUQ рекомендует проверять все новые конструкции радиаторов как минимум на трех прототипах, испытанных при трех уровнях мощности (50%, 100% и 125% от номинальной), чтобы подтвердить, что сопротивление растеканию тепла соответствует аналитическим прогнозам в пределах 10%.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между сопротивлением растеканию тепла и тепловым сопротивлением?

Тепловое сопротивление — это полное сопротивление тепловому потоку от перехода к окружающей среде, включая теплопроводность, конвекцию и излучение. Сопротивление растеканию тепла — это специфический компонент теплового сопротивления, который возникает только когда тепло перетекает от небольшого источника к большему основанию, вызывая боковой тепловой поток. В типичных радиаторах сопротивление растеканию тепла составляет от 20% до 50% общего теплового сопротивления.

Как толщина основания радиатора изменяет сопротивление растеканию тепла?

Увеличение толщины основания позволяет большему количеству тепла распространяться в боковом направлении до достижения ребер, что снижает сопротивление растеканию тепла. Удвоение толщины основания с 5 мм до 10 мм обычно снижает сопротивление растеканию тепла на 30–50%. Оптимальная толщина составляет от 3 до 5 характерных длин источника тепла, за пределами которых дополнительная толщина дает убывающую отдачу.

Что лучше для минимизации сопротивления растеканию тепла: медь или алюминий?

Медь имеет теплопроводность 390 Вт/м·К по сравнению с алюминиевой 180 Вт/м·К, поэтому медь снижает сопротивление растеканию тепла примерно на 55% для той же геометрии. Однако медь в 3,3 раза плотнее и стоит в 5–8 раз дороже за килограмм. Медные вставки или паровые камеры являются экономически эффективным компромиссом для применений с высокой плотностью теплового потока.

Можно ли измерить сопротивление растеканию тепла напрямую?

Сопротивление растеканию тепла нельзя измерить напрямую, поскольку оно определяется как разница между фактическим и одномерным сопротивлением. Оно выводится путем измерения общего теплового сопротивления и вычитания рассчитанных сопротивлений ребер и интерфейса. ASTM D5470 предоставляет стандартный метод испытаний для этой цели с точностью в пределах 5%.

Как сопротивление растеканию тепла влияет на срок службы светодиодов?

Снижение сопротивления растеканию тепла уменьшает температуру перехода светодиода, что напрямую улучшает срок службы. Снижение температуры перехода на 10 °C может удвоить срок службы светодиода по поддержанию светового потока согласно модели Аррениуса. Для светодиода мощностью 10 Вт снижение сопротивления растеканию тепла с 1,5 К/Вт до 0,5

Похожие Статьи

• Радиаторы для аккумуляторных блоков: предотвращение теплового разгона
• Штампованные металлические радиаторы против литых под давлением: сравнение стоимости и качества
• Новый автомобиль энергии IGBT тепловыделение, радиатор надежность машиностроения, тепловые трубы и температурные пластины интегрированный радиатор, обработка поверхности и повышение теплового излучения: анодное окисление, черное покрытие и микро-нано структуры, графен / 3D-печать / интеллектуальное управление теплом: 2030 радиатор технологии дорожная карта