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。在酷暑中，你做的第一件事是什么?无论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。
对于电子设备来说，解决热管理问题的一种方法就是使用散热器。当然，这些都不是最终的、一站式的解决方案，它们都有自己的限制条件和设计挑战。下面您将了解散热器，以及散热器用例的当前趋势。
什么是散热片
虽然传统上，最简单的冷却方法之一是在热的设备上拍打一个冷却风扇，让风扇工作，这取决于形状因素，这可能不是最有效的选择。此外，它不能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转移到周围的大气中。在电子产品中，散热器通常是铜或铝的固体块，带有多个翅片，以增加可用的传热表面积。随着人们不断追求在更小的外形中封装更大的处理能力，散热器的创新比以前更加重要。
热沉材料
廉价、耐用、无处不在的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，以及如何发挥这两种材料的优点和缺点，而不是异域材料(尽管我们稍后会讲到这些)。
铜:热导率纯铜的产量为386 W/mK，密度为8.96 g/cm3，截至2018年8月，价格约为6000美元/公吨。
铝:纯铝的导热系数为204 W/mK，密度为8.96 g/cm3, 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。确定使用哪种材料与项目的独特需求有很大关系。这一领域的创新通常采取平衡两种材料的最佳形式。例如，使用铜底座有效地将热量从CPU转移到一个更便宜、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，因为空气的热导率是实际的瓶颈。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EMI中使用对功率特别敏感的电路板是一个挑战
鳍配置
导热性只是设计一个好的散热器的一个难题。要想在智能手机和平板电脑中使用的尖端芯片的散热片上提高性能，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:翅片传热率与理想翅片传热率的比值(其中Tfin = Tbase)。
翅片效率越高，通过对流传递到周围大气的热量越好。优化翅片的几何形状有助于最大限度地提高通过散热器的气流。主要有两种鳍型:
针鳍:在平的底座上竖立一堆大头针，是使表面积最大化的常用方法;当空气沿着针轴向流动时，它们工作得最好。
直鳍:也称为板翅散热器，直翅运行整个长度的平面底座，以最大限度地扩大表面积;当空气切向散热器流动时，它们工作得最好。
你也可以采用许多修改来优化气流或增强冷却:
主动冷却:先进的图形处理器，如Nvidia GeForce GTX 1180使用风扇、热管和蒸汽室的组合来控制温度。
横切扁鳍:采用直翅片并将其横切成多个短截面，以减少暴露在气流中的表面积和引起压降为代价，可提高翅片表面的传热系数;最好用于应对不可预测的气流。
增强鳍(弯曲):在直翅片的前缘和后缘增加一个曲率，可以将“死”的空气分子从翅片表面清除，改善流动。
在CPU上有散热贴的翅片散热器
为了选择正确的鳍几何形状，你会想要使用你最喜欢的CFD软件，以更好地理解流体动力学在发挥你的电子设备的信封。
生产类型
你可能没有意识到，但即使是散热器的方式制造会对热性能产生影响。
挤压:高成本效益的选择，高度自动化，挤压散热器通常是铝制的，允许制造商生产的鳍和底座作为一个连续的部分。
保税鳍底座和鳍是分开制作的，必须粘接在一起。虽然键和基之间的热传递受到了影响，但单独的结构允许更复杂的几何结构，可以显著增加表面积，可以弥补缺点。
拉链:对于高密度散热器来说，最具成本效益的选择是:散热片由金属冲压而成，在连接到底座之前，用互锁的凹槽折叠成形状。
折叠鳍:翅片是由铝和铜片弯曲后粘在基体上制成的。这些翅片可以比典型的挤压或粘合翅片薄得多，并提供更高的密度和表面积。
匆匆而去:鳍和底座都是从一块金属上切割下来的，方法是反复切割金属带的顶部，并将其折叠回底座上。削皮散热器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(没有粘结阻抗)。
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工艺。对更高的导热系数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烹饪一些令人兴奋的材料，这些材料可能会改变游戏规则。正如我之前所承诺的，以下是一些更新奇的散热器设计材料:
碳纳米管(CNT)具有令人印象深刻的电学和热性能(热导率为3000-6000 W/mK)，所以难怪研究人员用碳纳米管散热器和铜碳纳米管复合材料进行试验。遗憾的是，它们要商业化还需要一段时间。
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)高导热系数(300 - 650 W /可)。
石墨烯是另一种吸引了科学家们的碳基超材料。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，热导率约为(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，并在金属基体上涂上高导热性的超材料(通常是碳)。虽然无法预测这些材料中哪一种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综合方法，将散热器与其他冷却技术(如热管、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工具将帮助您为电力电子设计散热器，并实现最佳的冷却策略。如果您有标准或定制散热器的STEP、DFX、IDX或IDF文件，您可以将这些模型导入OrCAD并将其合并到您的板设计中。您还可以根据需要添加风扇和支持的电子组件。为了验证散热器的效果，使用适当的模拟工具是很重要的。
无论你是在研究一个需要大量冷却的大功率设备，还是在研究一个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的一切。与OrCAD，你将有布局工具，你需要的任何热考虑在你的电气设计。
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