現代科技中選擇散熱片尺寸的秘訣

工程師希望他們的電子設計成為本季最熱門的產品，但不是最「熱」的。裝置中的每個電子組件都會產生熱量，且這些熱量會累積起來。如果溫度太高，可能會永久損壞電路，並將心愛的裝置變成紙鎮。

為了避免設計「變磚」，工程師必須確保每個組件都在安全的溫度下運作。傳統上，會使用簡單的計算確定使用的散熱片尺寸合適。但這些在餐巾紙背面的隨手計算是否理想呢？

如何用傳統方式決定散熱片尺寸

經過一些假設和簡化之後，可以由以下算式對電子組件和環境之間的熱傳遞建模：

在此，Q 是系統消耗的總功率。T_A 是周圍區域的溫度，T_J 是組件接面的溫度，R_ϑ,T 是系統的總熱阻。未使用散熱片時，唯一的介面位於組件與其周圍環境之間。因此，R_ϑ,T 等於 R_ϑ,JA，即接面與空氣之間的熱阻。

STGF7NB60SL IGBT 元件採用 TO-220FP 封裝、額定值為 600 V、15 A、25 W。(圖片來源：STMicroelectronics)

以 STMicroElectronics 的 STGF7NB60SL IGBT 討論，此元件採用 TO-220FP 封裝、額定值為 600 V、15 A、25 W。其規格書中指出，R_ϑ,JA 等於 62.5°C/W，其最高工作溫度 T_J,max 為 150°C。假設耗散為 2 W 且空氣溫度為溫暖的 50°C，由於周圍有熱源，計算結果 T_J 為 175°C。這遠高於組件的安全餘裕，因此需要散熱片。

除了散熱片之外，系統還需要熱介面材料 (TIM)。在微觀上，裝置和散熱片之間的表面很粗糙，會有間隙。如果空氣填充該間隙，將會造成隔熱效果。TIM 是一種導熱膏，可填充間隙。

下圖為加上散熱片和 TIM 的裝置。

半導體外殼上安裝散熱片。圖中的熱流、溫度和熱阻 (左) 可以像串聯電阻網路一樣進行建模 (右) 。(圖片來源：出版時為 Aavid Thermalloy，現為 Boyd)

若要計算 R_ϑ,T，需將外殼、接面、TIM、散熱片之間的所有獨立熱阻視為串聯電阻。換句話說，將 R_ϑ,JC、R_ϑ,CS、R_ϑ,SA 相加，得出總電阻。因此，算式變成：

R_ϑ,JC 很容易取得，因為與 R_ϑ,JA 列在同一規格書中。依據規格書，R_ϑ,JC 為 5°C/W。

假設系統選用 507302B00000G 散熱片，在 60°C 冷卻 Boyd 的 2.5 W、TO-220 元件。依據規格書，自然對流耗散為 2 W 時，溫度將升高至 50°C。因此 R_ϑ,SA = 50°C / 2 W = 25°C/W。

507302B00000G 是一款鋁散熱片，設計用於在 60°C 時冷卻 2.5 W、TO-220 元件 (圖片來源：Boyd)

可考慮使用 Thermalcote 作為 TIM，這是 Boyd 的導熱矽膠化合物。其導熱係數 (k) 為 0.765 W/(m °C)。假設厚度 (L) 為 1 mm，則可使用散熱片的表面積 (A = 19.05 mm x 19.05 mm) 計算出 R_ϑ,CS。

Thermacote 是一種導熱矽膠化合物 (圖片來源：Boyd)

接著，將所有數值代入算式：

T_J 現在等於 117.2°C，遠低於元件的最高額定溫度。因此，此散熱片是保持組件正常運作的一個優良選擇。但這是最好的選擇嗎？

模擬可能是一條出路

上述計算對許多工程情境而言仍然有效。然而，電子產品趨向更輕、更小、更複雜、更強大且更有競爭力。因此，工程師需要最佳化商業裝置及其冷卻方式，以降低成本並提高可靠性。如此一來，餐巾紙背面的快速計算並不能解決問題。

此外，這些算式所使用的假設可能會隨著電子產品尺寸的縮小而不合時宜。例如，環境溫度為 50°C，且熱量透過散熱片均勻消散。

最後，如果添加強制氣流又會如何？此模型沒有考慮空氣在受限空間內的流動方式或對效能的可能影響。

若要充分瞭解現代消費性電子產品內的熱傳遞，以最佳化散熱片和風扇尺寸，最佳方式是進行模擬。採用模擬，工程師將不用獨立查看每個組件。他們可以對整體裝置的熱流進行建模。便可更輕鬆進行最佳化設計及選擇合適的散熱片和風扇。 一些常見的模擬軟體包括 Simcenter Flotherm、Ansys Icepak、Celsius Studio、Altair SimLab、SimScale、SOLIDWORKS Flow Simulation。 若要查看可加入到這些模擬軟體的散熱片詳細資訊，請點選此處。