電子產(chǎn)品新型散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

肖　聰

（ 上海儀電數(shù)字技術(shù)股份有限公司，上?！?00233 ）

電子產(chǎn)品新型散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

肖聰

（ 上海儀電數(shù)字技術(shù)股份有限公司，上海200233 ）

一種新型散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用板材沖壓成型，與發(fā)熱芯片相接觸，使熱量通過(guò)沖壓成型的散熱片傳導(dǎo)至外部，從而降低產(chǎn)品的工作溫度。加工工藝簡(jiǎn)單，安裝方便，有效提高產(chǎn)品散熱性能，同時(shí)也大幅度降低產(chǎn)品成本。

散熱器；沖壓成型；散熱性能

0　引言

科技的進(jìn)步促使當(dāng)今的終端電子產(chǎn)品集成度越來(lái)越高，隨著電子產(chǎn)品性能的迅速提升，產(chǎn)品內(nèi)電子器件運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的熱量也呈現(xiàn)幾何級(jí)增長(zhǎng)，必須迅速散發(fā)到環(huán)境中（一般為空氣），才能避免因溫度過(guò)高而燒毀電子器件。本文探討一種新型散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用板材沖壓成型，與發(fā)熱芯片相接觸，使熱量通過(guò)沖壓成型的散熱片傳導(dǎo)至外部，從而降低產(chǎn)品的工作溫度。

1　概述

熱量的傳遞有導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱三種方式。在終端電子設(shè)備中，三種換熱方式都存在。在同一環(huán)境下，散熱器散發(fā)的熱量與散熱器換熱面積呈線(xiàn)性關(guān)系，散熱器的換熱面積增大，其散發(fā)的熱量相應(yīng)加大。

2　現(xiàn)狀

目前，常規(guī)電子終端產(chǎn)品選用的散熱器多為翅片式，見(jiàn)圖1。該散熱器材質(zhì)為鋁或銅，通過(guò)擠壓成型。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：在同等空間內(nèi)通過(guò)增加翅片數(shù)量從而增加其換熱面積，通過(guò)換熱面積將芯片吸收的熱量散發(fā)在空氣中。在實(shí)際的產(chǎn)品應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)，翅片散熱器的散熱效果并不理想。

對(duì)于一般電子產(chǎn)品而言，其內(nèi)部空間狹小有限，自然對(duì)流散熱功效忽略不計(jì)。通過(guò)增加翅數(shù)而增加的換熱面積效果并不顯著，原因在于2個(gè)翅片間的側(cè)面與空氣接觸進(jìn)行換熱時(shí)，因這部分空氣不流動(dòng)，無(wú)法直接將熱量傳播到散熱器周邊的空氣中，而是將兩側(cè)壁間的空氣加熱，再通過(guò)這部分加熱的空氣將熱量傳遞到散熱器周?chē)目諝庵?，其有效換熱面積只能是2個(gè)側(cè)壁間的距離。翅片式散熱器有效換熱面可簡(jiǎn)化為2個(gè)截面、2個(gè)側(cè)面以及頂面，見(jiàn)圖2。散熱器背面因直接與芯片相接觸，不參與空氣傳熱。

翅片式散熱器簡(jiǎn)化后的有效換熱面積為：S=2A+2LH+LW。

圖1　翅片式散熱器

圖2　翅片式散熱器有效換熱面積

3　設(shè)計(jì)

有效利用散熱器每一處的面積尤為關(guān)鍵，在這個(gè)理論基礎(chǔ)上通過(guò)板材直接沖壓成型，形成一種凹字型的散熱器結(jié)構(gòu)。其關(guān)鍵在于頂部為一面積較大的鋁片，其上下表面均與周?chē)諝饩o密相聯(lián)并形成有效換熱面，形成快速傳導(dǎo)和輻射。散熱器底部面積與芯片大小一致，底部吸收的熱量快速傳遞到散熱器頂部。

與傳統(tǒng)翅片散熱器相比，凹式散熱器結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，同等重量的情況下，有效換熱面積大于翅片式。見(jiàn)圖3。將散熱器固定在發(fā)熱芯片上，散熱器和發(fā)熱芯片通過(guò)導(dǎo)熱硅膠填充，見(jiàn)圖4。相對(duì)較封閉的環(huán)境中，采用凹式散熱結(jié)構(gòu)，將溫度大面積散熱到外殼表面直接散到空氣中。

圖3　結(jié)構(gòu)示意

圖4　工作示意

4　組裝

凹式散熱器可采用塑料彈簧卡扣固定，在散熱器和PCB上開(kāi)一些通孔，通過(guò)塑料彈簧卡扣連接固定，固定方式牢靠，操作簡(jiǎn)便。發(fā)熱芯片受壓大小可通過(guò)彈簧的線(xiàn)徑及圈數(shù)調(diào)節(jié)，見(jiàn)圖5。

圖5　組裝示意

5　測(cè)試

凹式散熱器簡(jiǎn)化的有效換熱面見(jiàn)圖6。其頂部的換熱面包括上表面及下表面面積，下表面與底部疊加部分不計(jì)入有效散熱面，其簡(jiǎn)化后的有效換熱面面積為：S=2A+2B+C+D。

圖6　凹字型散熱器有效換熱面積

以實(shí)物為例，一款翅片式散熱器外形為：（35×39×10）mm， 其 截 面 面 積 為139mm2，重量為13g，簡(jiǎn)化后的有效換熱面積為1994mm2。重新設(shè)計(jì)的凹式散熱器外形為：（35×29×10）mm，截面面積為88mm2，重量為8g。簡(jiǎn)化后的有效換熱面積為2234mm2。凹式散熱器重量比傳統(tǒng)翅片式散熱器減少40%，有效換熱面積增加12%。將這兩款散熱器分別組裝在同一批機(jī)器上，并保證其測(cè)試環(huán)境一致，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

6　結(jié)語(yǔ)

綜上，凹式散熱器在同等的材料重量下可增加30%的接觸面積，散熱性能顯著提高，特別適用于封閉狹小的電子產(chǎn)品中，優(yōu)化散熱性能，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命。采用凹式散熱器從生產(chǎn)工藝、技術(shù)保障、使用效果和整體成本方面均優(yōu)于傳統(tǒng)翅片狀式散熱器。

［1］葛新石.傳熱學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

New Type of Heat dissipation Structure Design for Electronic Products

Xiao Cong
（INESA Digital Technology Co.， LTD.， Shanghai 200233， China）

Article introduces a new type of heat dissipation structure design， which is made of stamping forming sheet metal， being contacted chip， with thus heat is conducted to the external，reducing the working temperature of products. This production process is simple with easy installation， effectively improves the heat dissipation performance， but also greatly reduces the product cost.

Heat sink； Impact molding； Heat dispersion

TM02

A

1674-2796（2016）04-0018-03

2016-04-15

肖聰（1985—），男，大學(xué)專(zhuān)科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作。