什么是散热器:近年来的散热器趋势
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现在是夏天，你所在的小镇正经历着创纪录的高温。面对酷暑，你做的第一件事是什么?不管你的答案是打开窗户、打开空调、把风扇对准你的脸还是跳进游泳池，你都是在通过流体介质使用传导和对流的某种组合来去除多余的热量。
使用电子设备，解决热管理的一种方法是使用散热器。当然，这些都不是最终的一站式解决方案，它们都有自己的限制和设计挑战。下面您将了解散热器，以及它们的当前用例趋势。
什么是散热器
虽然传统上，冷却热设备最简单的方法之一是将冷却风扇拍打在其顶部，让风扇工作，但这可能不是最可行的选择，这取决于形状因素。此外，它可能不适用于快速加热设备或热量特别集中在一个区域的单一组件区域。
散热器是一种被动的热交换器，它通过传导将热量从表面去除，并将其消散到周围的大气中。在电子产品中，散热器通常是铜或铝的固体块，具有多个翅片，以增加用于传热的可用表面积。随着人们不断寻求将更多的处理能力封装到更小的尺寸中，散热器的创新比以前更加重要。
散热片材料
廉价、耐用、无处不在——铝和铜仍然是散热器材料事实上的“黄金标准”。这一领域的创新更多地与合金有关，以及如何利用这两种材料的优点和缺点而不是其他材料(尽管我们稍后会讲到这些)。
铜:热导率纯铜的价格为386 W/mK，密度为8.96 g/cm3，截至2018年8月，价格约为每公吨6000美元。
铝:纯铝的导热系数为204 W/mK，密度为8.96 g/cm3，截至2018年8月，价格约为2300美元/公吨。
铜具有更好的导热性，而铝具有成本和重量优势。找出使用哪种材料与你的项目的独特需求有很大关系。这一领域的创新通常以平衡两种材料的优点为形式。例如，使用铜底座有效地将热量从CPU传导到更便宜、更轻的铝散热器。同样值得注意的是，铜/铝与空气之间的传热是相似的，因为空气的导热性是实际的瓶颈。铜比铝的传热优势并不像人们期望的那样高，这就是为什么铝是更受欢迎的散热器材料。
在功率特别敏感的电路板上克服EMI是一个挑战
鳍配置
导热性只是设计一个好的散热器的难题之一。智能手机和平板电脑中使用的尖端芯片的散热片要想实现性能提升，就需要在散热片的几何形状和布局上进行创新。这里要掌握的关键概念是翅片效率:翅片传热速率与理想翅片传热速率的比值(其中Tfin = Tbase)。
翅片效率越高，通过对流传递到周围大气的热量就越好。优化的几何形状的鳍有助于最大限度地通过散热器的气流。主要有两种翅片配置:
针鳍:在一个平坦的底座上竖起一堆大头针是一种最受欢迎的方法，可以最大限度地扩大表面积;当空气沿着销轴向流动时，它们工作得最好。
直鳍:也被称为板翅散热器，直翅运行的整个长度的平面底座，以最大限度地扩大表面积;当空气切线流向散热器时，它们工作得最好。
你还可以采用许多改进来优化气流或增强冷却:
主动冷却: Nvidia GeForce GTX 1180等尖端gpu使用风扇、热管和蒸汽室的组合来控制温度。
横切平翅片:将直翅片横切成多个短段，可以提高翅片表面的换热系数，代价是减小暴露在气流中的表面积和产生压降;最好用于应对不可预测的气流。
增强的(弯曲的)鳍:在直鳍的前缘和后缘增加一个曲率，可以将“死”的空气分子从鳍表面清除，改善流动。
CPU上有热膏的翅片散热器
为了选择正确的翅片几何形状，您需要使用您最喜欢的CFD软件来更好地理解电子设备外壳内的流体动力学。
生产类型
你可能没有意识到，但即使是散热片制造会对热性能产生影响。
挤压:具有成本效益的选择，高度自动化，挤压散热器通常是铝制的，并允许制造商将翅片和底座作为一个连续的部件生产。
保税鳍:底座和鳍片是分开制作的，必须粘合在一起。虽然化学键和基底之间的传热受到了影响，但单独的结构允许更精细的几何形状，可以导致表面积的显著增加，这可以弥补缺点。
拉链:高密度散热器最具成本效益的选择，散热片由金属冲压而成，并在连接到底座之前折叠成带有互锁凹槽的形状。
折叠鳍:翅片是由铝片和铜片弯曲而成，然后再与底座结合。这些鳍片可以比典型的挤压或粘合鳍片薄得多，并提供更高的密度和表面积。
匆匆而去:翅片和底座都是从一块金属上切割下来的，方法是反复将金属带的顶部切片，然后将其折叠回底座上。隔热片可以用薄翅片和高密度几何形状制成，同时受益于均匀金属片的导热性(无粘接阻抗)。
技术的进步使折叠和剥离工艺更加可行，逐步淘汰了挤压等旧技术。对更高热导率和表面积的需求可能会延续这一趋势。
散热器的未来
说到散热器本身，研究人员多年来一直在制作一些令人兴奋的材料，这些材料可能会改变游戏规则。正如我之前承诺的那样，下面是散热器设计领域中一些更奇特的材料:
碳纳米管(CNT)拥有令人印象深刻的电学和热性能(导热系数为3000-6000 W/mK)，因此研究人员正在试验碳纳米管散热器和铜碳纳米管复合材料也就不足为奇了。遗憾的是，它们还需要一段时间才能投入商业应用。
钻石散热器已经在这里了。金属-金刚石复合材料的热膨胀系数降低(6- 12ppm /K)高导热性(300 - 650 W /可)。
石墨烯是另一种让科学家们着迷的碳基超材料。这是一篇关于用于柔性散热器的石墨烯-碳-金属复合薄膜的论文。
HOPG(高有序热解石墨)是一种各向异性材料，导热系数约为(2000 W/mK)。
改进散热器材料的主流趋势是采用优质的老式铜或铝，并在金属基体中掺杂高导热超材料(通常是碳)。虽然不可能预测这些材料中哪些将主导散热器的未来，但有一件事是肯定的:最好的热管理解决方案采取整体方法，将散热器与其他冷却技术(如散热器、热管和蒸汽室)结合起来。
无论您想使用哪种冷却方法或散热器，正确的ECAD/MCAD工具都将帮助您设计用于电力电子设备的散热器，并实施最佳冷却策略。如果您有标准或定制散热器的STEP、DFX、IDX或IDF文件，则可以将这些模型导入OrCAD并将其合并到您的电路板设计中。您还可以根据需要添加风扇和配套的电子元件。为了验证散热器的效果，使用合适的模拟工具很重要。
无论你是使用需要大量冷却的大功率设备，还是使用需要常规设备的更传统的电气设计，Cadence的设计和分析套件工具会给你所需要的一切。与OrCAD，您将有布局工具，您需要在电气设计中的任何热考虑因素。
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