內容摘要

散熱器通常被認為是解決所有電子冷卻挑戰的神奇答案。散熱器使熱量擴散，因此熱量通過比其他方式大得多的表面積傳遞到空氣中。然后，空氣將熱量帶走，冷卻產生熱量的電子設備。那么，為什么不在任何熱關鍵組件的頂部放置一個散熱器呢？

仿真可以說明答案。借助Simcenter Flotherm等3D熱仿真和分析工具，產品設計人員可以對產品或產品的一部分進行建模，然后觀察有關其內部和周圍的空氣和熱流的大量信息。仿真有助于做出有關如何使用散熱器以及放置位置的明智決策。

“為什么不在每個發熱組件的頂部放置一個散熱器呢？”

我們設置了一個實驗來回答這個問題

我們在PCB上放置了兩種不同類型的表面貼裝封裝，帶散熱器和不帶散熱器，并觀察了結果（圖1）。

圖1.Simcenter Flotherm模型的BGA和TO263封裝，帶封裝。

前景中的封裝是倒裝芯片，陶瓷球柵陣列(BGA)，通常用于微處理器。芯片上的一塊金屬有助于將熱量擴散并誘導到封裝頂部。背景中的封裝是七引腳TO263–一種更簡單的封裝設計，通常用于分立式功率器件。在此展示的模型中，封裝有點透明，所以可以看到內部。

在Simcenter Flotherm軟件中，我們將這兩個器件放在2S2P高k系數測試板上，并放入35攝氏度的氣流中，以每秒3米（約600lfm）的速度移動。它們的結溫，即熱源處的溫度，在硅芯片本身中被記錄下來。然后，在每個封裝的頂部放置一個標準的鋁制擠壓板翅片散熱器，并再次記錄結溫（圖2）。

圖2.電路板上帶有建議散熱器的器件。

最佳做法是在比較和對比兩種或多種電子產品或配置的熱性能時，查看溫升高于環境溫度的比率。當在BGA封裝上使用散熱器時，高于環境溫度的結溫溫升是沒有散熱器的值的27%，下降幅度巨大。對于TO封裝，在沒有散熱器的情況下，溫升降至81%（圖3）

圖3.帶和不帶散熱器的溫升比率。

TO封裝的溫度下降幅度遠超預期。內部封裝結構決定了所選擇的散熱器類型及其在封裝上的位置。可以說，并非所有的封裝樣式都是相同的。為了使散熱器有效工作，它們必須放置在有散熱的地方（或需要擴展的區域）。此外，了解封裝周圍的氣流行為可以解釋這種意想不到的熱性能。

了解潛在的熱行為——熱流預算

在部署散熱器之前，我們觀察了每個封裝內的熱流，以了解為什么會有這樣的差異。圖4中的黑色熱通量矢量顯示了熱量如何離開其在芯片活性層上的源并通過封裝擴散。低熱通量矢量已截取以澄清圖像。

圖4.不帶散熱器的BGA（頂部）和TO（底部）器件的熱流模式。

熱設計工程師經常根據熱流預算來表征熱流，這是對主要熱流路徑的描述，即流向每個區域的總熱量的百分比。有時，這種預算用于總計對流、傳導和輻射通過表面的熱量比例。

對于沒有散熱器的BGA，77%的熱量直接流過芯片，并在封裝的頂面附近通過。這是由放置在封裝頂部的金屬散熱片和散熱塊引起的。對于TO封裝，95%的熱量傾向于直接傳遞到PCB，正如設計中所預期的那樣。

那么，如果我們在兩個封裝的頂部放置一個金屬散熱器，預算會發生什么變化（圖5）？

圖5.帶散熱器的熱流模式，用于BGA（頂部）和TO（底部）器件。

對于BGA，在將散熱器放在頂部之前為77%的熱量，現在已經上升到90%。散熱器為金屬散熱片和散熱塊提供了可觀的幫助，它們已經將熱量傳送到封裝頂部。

結果是結溫溫升顯著降低。熱量越容易離開，溫升就越低。

TO封裝的預算只發生了3%的變化。為什么結溫溫升降低了19%？答案不在于散熱器的導電效應，而在于散熱器對氣流的影響。

散熱器將更多的空氣輸送到組件周圍的PCB表面。這可以從上面的風速圖（圖6）中看出，就在電路板表面上方，比較了帶和不帶散熱器的移動空氣（大于1m/s）。這提高了風速，沖刷了電路板表面，更有效地去除了已經通過TO封裝傳遞并擴散到電路板中的熱量，從而使溫度比環境溫度升高降低了19%。在這個例子中，壓力損失、流速和熱性能之間沒有發生耦合，這是我們在現實中發現的。

圖6.固定流量環境，旁路余量有限。

在Simcenter Flotherm的幫助下，我們可以就是否在電子封裝中添加散熱器做出更明智的決定。對于BGA來說，散熱器大大提高了封裝的冷卻能力。BGA封裝旨在將熱量引入其結構的頂部。當我們將散熱器放在BGA頂部時，它會吸收并消散產生的大部分熱量。然而，TO封裝將熱量引導到電路板中，因此放置在TO封裝頂部的散熱器不會明顯改變耗散。在這種情況下，散熱器可能不是冷卻TO封裝的經濟高效的選擇。所以，無處不在的散熱器并不是電子冷卻的神奇答案。

想要了解更多Simcenter產品信息，歡迎聯系貝思科爾！

掃描二維碼關注我們