发热是电子元件的最大杀手，一起探讨交流一下！

rainysky

    所有电器的设备一个共同问题是，只要它工作，它就发热（超导除外）。这是因为在所有的器件中都存在一定大小的等效电阻（在后续内容中会介绍）。电阻乘以流过的电流就是压降，压降乘以电流就等于功率。由于欧姆定律的作用是不可避免的，因此这个功率必定转化成热量。发热是电子元器件老化和损坏的主要原因，因此学一下发热管理是很有必要的。
    在半导体中，所有的“魔术”都发生在一个叫“结”的地方。当器件工作时，发热的地方就在结上。结有一个能承受的最高温度，当达到这个温度时，就可能会发生某些故障。
    结总是位于某种外壳里面的。当你需要测试一个设计时，由于你无法测量结温，因此不得不测量外壳的温度。从结到外壳总存在着温度降落，其数值通常会给出在元件的参数表中。
    外壳会热到什么程度，这取决于上面所安装的散热器的情况。外壳本身能够将一部分的热量辐射到周围的空气中去。如果这还不够的话，则可以加一个散热器。你应该注意一点，与“散热器”的英文名称“heat sink”所暗示的不同，散热器并不是把器件的热量可以“丢”（dump）到周围的环境中去（通常是空气）。
    散热器的功能是获取温升的热量，并将其散发到周围的空气中去。散热器的能力大小是用°C/W来衡量的这个参数表示，当贴有该散热器的元件产生1W的热量时，元件将升高多少度的温度。
    散热器可以看成是热导体。正如有些金属的导电性能比其他金属要好、是电的良导体一样，有些金属也是热的良导体。通常这两种特性是走在一起的，即导电好的金属，导热也比较好。
    铝比钢铁的导电性能好，同时它也比钢铁的导热性能好。铜是我们周围最好的一种电导体，同时也是最好的热导体之一。散热器是把热量从器件上引走了。就跟（直流）电流是单向流动的一样，热量也总是从较热的地方向较冷的地方流动。实现热量流动的方法有很多种。
(1)        辐射
(2)        对流
(3)        传导
(4)        利用PCB散热
(5)        热扩散

    传导
移动热量的另一种方法是传导。开关电源热量就是以这种方式从器件上跑到散热器上的，热量在散热器内部的传递靠的也是这个方法。传导移动热量的效果相当不错，但是为了让热量流动，接收热量的地方必须提供热量的地方冷。通常利用液体把热量从很热的东西上传导出去，核反应堆、汽车发动机的热量就是这样引出来的。不过最后热量还得去别的其他地方。这就是我们会在汽车的前部看 到一个辐射器的原因（这个辐射器用来将防冻剂所收集的热量散发到空气中）。我的小船上的发动机则利用整个湖水来做散热器，它无需辐射器，因为相对于数百万加仑（gal,1gal=3.758L)的湖水，小船是微不足道的，它没有足够的功率来使湖水的温度哪怕是升高零点几度。
    利用PCB散热
这是我常常听到的一个问题。那么我们到底能不能把开关电源PCB用做散热器呢？答案是肯定的。事实上，开关电源PCB就是铜板，而铜是热的良导体，因此它自然可以做散热器。事实上，PCB就是铜板，而铜是热的良导体，因此它自然可以做散热器。好啦，问题又来了，我们如何知道PCB将热量散发到周围空气中去的效果好坏呢？我们可能不得不做测试来得到答 案。若要对这种情况进行计算的话，那变数真是太多了。因此最快的方法就是做到PCB的布线、制板、焊接元件，然后试验。以下是用PCB做散热器时需要注意的几点：
一、连接PCB顶层和底层的大量过孔（via)有助于增大散热面积。
二、PCB的这些过孔区域将变得较热。这意味着PCB会发生膨账、收缩。随着使用时间的积累，这可能微分学引起机械破坏，甚至会使焊点及PCB的连接开裂。
三、采用PCB散热的话，我建议将PCB的温度控制在60℃以下。我告诉大家一个很有用的经验法则：如果金属表面热得使你感觉发烫，那它的温度就超过60℃了。
  
    热扩散
当两种材料靠在一起的时候，材料之间的接触面积是影响热量传导的一个主要因素。而对着单一材料中的热量传导来讲，影响因素则是材料的厚度。
由此产生了一种称作热扩散（heat spreading)的技术。该 技术将大块大而厚、且导热性能很好的材料铆接在扫抗燃的部件上，作为高速的导热通道，把热量导向一个很大的散热器，而散热器上则集中了所有的鳍状突起，以散发热量。其思路在于让热量尽快离开，从而使器件具有较低的结温。
你猜它有效吗？事实上它能够起作用，但其效果牵涉到很多的变数（譬如热扩散材料以及散热器其余部分的热导率等），跟开关电源PCB板情况一样，我们也需要到实验室去做试验，才能确定其是否真的起作用或有帮助。请记住，在半导体的任何两个部分之间都有一个结，尽管结的周围处处都有温度梯度，但结越少，散热器工作得越好。

    经验法则
  发热是电子元器件的最大杀手。请小心翼翼地研读你所用器件的参数表。
  大多数散热器把热量散发到周围的空气中，并且主要的散热方式是对流。
  当你触摸一个部件时烫手，那它的温度就超过60℃了。
  你可以将PCB板用作散热器，但请注意测试效果。
  
   谢谢你的交流互动，取长补短，学以致用，共同进步！

谢工

是这样的，但是耐压不够也是坏的原因，有些电阻，坏的时候一点变化都没有，和新的完全一样。

rainysky

谢工 发表于 2017-8-5 16:40
是这样的，但是耐压不够也是坏的原因，有些电阻，坏的时候一点变化都没有，和新的完全一样。

   电阻的耐压不够，是信号检测电路中“直接市电电压通过几个大电阻电阻分压”损坏经常会碰到的问题。非常感谢！请教一下谢老师，知道电脑主板散热是塔式热管风道散热风扇侧吹散热效果好，还是散热风扇对CPU直吹散热效果好，谢谢！

rainysky

无有 发表于 2017-8-5 16:53
这个毫无疑问的。国内低端平板在这方面堪称表率。天气一热几乎集体罢工，不干活了，卡的要死，效率特低。冬 ...

   谢谢实话实说的无有坛友的严厉质问批评国内平板！请问一下，IPAD为何在温度低于0°C，会导致电池不能充电，这样设计的原因是？

rainysky

   打字太累了！大家觉得好多多鼓励支持！
   辐射
  一旦散热器变热了，它就将发射红外线。随着能量往外辐射，散热器就会变冷。你是否曾想过这个问题：为什么好多散热器都是黑色的？
   因为黑色是一个高效的辐射颜色，这跟黑色能够吸收更多的红外线是一个道理。只要周围较冷，并且太阳没有照着他，它就能把热量辐射出去。尽管辐射是散热的一种方法，但在今天的大多数电子设备中，还有比这更好的散热方法？

谢工

rainysky 发表于 2017-8-5 16:56
电阻的耐压不够，是信号检测电路中“直接市电电压通过几个大电阻电阻分压”损坏经常会碰到的问题。非 ...

看设计，你自己看一下DELL的设计就知道多好，用十年也没有灰尘。

rainysky

谢工 发表于 2017-8-5 17:23
看设计，你自己看一下DELL的设计就知道多好，用十年也没有灰尘。

   DELL的设计很多兼顾对流风道（如机箱风扇辅助散热）和直吹CPU散热（兼顾利用PCB散热）等？不知谢老师怎么看？谢谢！

rainysky

    接着分享交流一下！
    散热的最好方法是让空气从散热器上流过，这就是对流。
    有两种方法实现对流。一种方法是要适当的放置散热器，以便靠近散热器的热空气能够上升，较冷的空气 能够填补相应的位置并被加热，这个过程一旦重复下去。大多数散热器都有一些关于在自由空气中使用的参数指标，用以描述散热器在自由空气中的功能。
    一点说明“自由空气中的对流依赖于重力的作用，没有重力的话。热空气就不会上升并被冷空气取代。因此，若你有幸参与太空船上的一项实验，那么你就不能指望采用自由空气来进行散热冷却！
    通过让更多的空气流经散热器，可以极大地提升散热的效果。这通常需要使用某种类型的风扇。添加风扇之后，散热器的散热能力提高达10倍之多的情况并不少见。如今的大多数设备都普遍具有嗡嗡的声音，原因在于采用了散热器风扇。
    散热器接触空气的面积越大，散热效果能力就越强。由于这个原因，所以你会看到散热器上有很多鳍状的突起。鳍状突起的数量越多，接触空气的面积就越大，传送热量的效果就越好。

rainysky

    纯铝散热器
　　纯铝散热器是早期最为常见的散热器，其制造工艺简单，成本低，到目前为止，纯铝散热器仍然占据着相当一部分市场。为增加其鳍片的散热面积，纯铝散热器最常用的加工手段是铝挤压技术，而评价一款纯铝散热器的主要指标是散热器底座的厚度和Pin-Fin比。Pin是指散热片的鳍片的高度，Fin是指相邻的两枚鳍片之间的距离。Pin-Fin比是用Pin的高度(不含底座厚度)除以Fin，Pin-Fin 比越大意味着散热器的有效散热面积越大，代表铝挤压技术越先进。
　　纯铜散热器
　　铜的热传导系数是铝的1.69倍，所以在其他条件相同的前提下，纯铜散热器能够更快地将热量从热源中带走。不过铜的质地是个问题，很多标榜“纯铜散热器”其实并非是真正的100％的铜。在铜的列表中，含铜量超过99％的被称为无酸素铜，下一个档次的铜为含铜量为85％以下的丹铜。目前市场上大多数的纯铜散热器的含铜量都在介于两者之间。而一些劣质纯铜散热器的含铜量甚至连85％都不到，虽然成本很低，但其热传导能力大大降低，影响了散热性。此外，铜也有明显的缺点，成本高，加工难，散热器质量太大都阻碍了全铜散热片的应用。红铜的硬度不如铝合金AL6063，某些机械加工(如剖沟等)性能不如铝；铜的熔点比铝高很多，不利于挤压成形( Extrusion )等等问题。
　　虽然，目前最常用的散热片材料是铜和铝合金，铝合金容易加工，成本低，是应用最多的材料，而铜较高的热传导系数，使得其瞬间吸热能力比铝合金好，但散热的速度就较铝合金要慢。因此，无论纯铜、纯铝、还是铝合金散热器，都有一个致命的缺陷：由于只使用一种材质，虽然基本的散热能力能够满足轻度散热的需要，但由于无法很好地均衡热传导能力和热容量能力两个方面的要求，在散热要求较高的场合便未免有些力不从心了。
　　铜铝结合技术
　　在考虑了铜和铝这两种材质各自的缺点后，目前市场部分高端散热器往往采用铜铝结合制造工艺，这些散热片通常都采用铜金属底座，而散热鳍片则采用铝合金，当然，除了铜底，也有散热片使用铜柱等方法，也是相同的原理。凭借较高的导热系数，铜制底面可以快速吸收CPU释放的热量；铝制鳍片可以借助复杂的工艺手段制成最有利于散热的形状，并提供较大的储热空间并快速释放，这在各方面找到了的一个均衡点。
　　热量从CPU核心散发到散热片表面，是一个热传导过程。对于散热片的底座而言，由于直接与高热量的小面积热源接触，这就要求底座能够迅速将热量传导开来。散热片选用较高热传导系数的材料对提高热传导效率很有帮助。通过热传导系统对照表可以看出，如铝的热传导系数237W/mK，铜的热传导系数则为401W/mK，而比较同样体积的散热器，铜的重量是铝的3倍，而铝的比热仅为铜的2.3倍，所以相同体积下，铜质散热器可以比铝质散热器容纳更多的热量，升温更慢。同样厚度的散热器底座，铜不但可以快速引走热源如CPU Die的温度，自己的温度上升也比铝的散热片缓慢。因此铜更适合做成散热器的底面。
　　不过，这两种金属的结合比较困难，铜和铝之间的亲和力较差，如果接合处理不好，便会产生较大的介面热阻(即两种金属之间由于不充分接触而产生的热阻)。在实际设计和制造中，厂商总是尽可能降低介面热阻，扬长避短，往往这也体现了厂商的设计能力与制造工艺。
　　常见的铜铝结合工艺包括：
　　扦焊
　　扦焊是采用熔点比母材熔点低的金属材料作为焊料，在低于母材熔点而高于焊料熔点的温度下，利用液态焊料润湿母材，填充接头间隙，然后冷凝形成牢固接合界面的焊接方法。主要工序有：材料前处理、组装、加热焊接、冷却、后处理等工序。常用的扦焊方式是锡扦焊,铝表面在空气中会形成一层非常稳定的氧化层(AL2O3),使铜铝焊接难度较高,这是阻碍焊接的最大因素。必须要将其去除或采用化学方法将其去除后并电镀一层镍或其它容易焊接的金属，这样铜铝才能顺利焊接在一起。
　　散热片上的铜底是进行热的传导，要求的不仅是机械强度，更重要的是焊接的面积要大(焊着率要高)，才能有效地提升散热效能，否则不断不会提升散热效能，反而会使其比全铝合金的散热片更加糟糕。
　　贴片、螺丝锁合
　　贴片工艺是将薄铜片通过螺丝与铝制底面结合，这样做的主要目的是增加散热器的瞬间吸热能力，延长一部分本身设计成熟的纯铝散热器的生命周期。经过测试发现：在铝散热片底部与铜块之间使用高性能导热介质，施加80Kgf的力压紧后用螺丝将其锁紧，其散热效果与铜铝焊接的效果相当，同样达到了预计的散热效能提升幅度。
　　这种方法较焊接简单, 而且品质稳定，制程简单，投入设备成本较焊接低，不过只是作为改进，所以性能提升不明显。虽然有散热膏填充，铜片与铝底之间的不完全接触仍然是热量传递的最大障碍。
　　制造的主要工序有：铜片裁切、校平(平面度小于0.1mm、钻孔、涂抹导热介质钻孔、攻牙、清洗、强力预压程序、两段式锁合作业、定扭力锁螺丝。
　　贴片工艺的重点在于控制好铜、铝平面度和粗糙度，以及锁螺丝的扭力等因素，即可得到一定的效能提升，是一种不错的铜铝结合方式。如果使用的导热介质性能低劣，或是铜块平整度不良，热量就不能顺利地传导至铝的散热片表面，使散热效果大打折扣。另外，螺丝的锁合力和铜材的纯度不够，都是不良的影响因素。
　　塞铜 嵌铜
　　塞铜方式主要有两种，一种是将铜片嵌入铝制底板中，常见于用铝挤压工艺制造的散热器中。由于铝制散热器底部的厚度有限，嵌入铜片的体积也受到限制。增加铜片的主要目的是加强散热器的瞬间吸热能力，而且与铝制散热器的接触也很有限，所以大多数情况下，这种铜铝散热器比铝制散热器的效果好不了多少，在接触不良的情况下，甚至为妨碍散热。还有一种是将铜柱嵌入鳍片呈放射状的铝制散热器中。Intel原装散热器就是采用了这样的设计。铜柱的体积较大，与散热器的接触较为充分。采用铜柱后，散热器的热容量和瞬间吸热能力都能增长。这种设计也是目前OEM采用较多的。    （转发）