散热器的作用就是在一定的体积空间内获取更高的传热面积，通过改善结构形状，进而提升从其表面到周围流体的热传递效率，并通过实施表面处理等方式，增加有效传热面积，进而达成增强散热、控制温度的目标。

在体积功率密度、热流密度要求不高的应用场景下，矩形直肋热沉具有简单的结构、合理的制造成本和良好散热性能等特点备受工程师们的青睐。

       Comparision of different heat transfer methods

1-散热器肋片设计

散热器即为散热扩展面，主要围绕肋片高度、形状、间距以及基板的厚度等参数展开。

   Plate fin heat sink dimensions

据上图，我们可以计算散热器的扩展面积：

单个肋片的面积：Af = 2L（h+t/2），

间隙处面积：Ab= Lh，

散热部分总面积：At=nAf +(n±1）Ab（n为肋片数量）。

       Fin sectional view

散热片的主要作用是通过增加表面积来提高热量传递效率。散热器肋片的间距、厚度和高度是确定散热器肋片数量、分布以及展开面积的重要因素。如上图，当h↑或t↓时，肋片更高、更薄、更密，可以让我们获得更大散热扩展面积。

当散热片的表面积增大时，其与空气的接触面积也相应增加，从而使得热量更容易被散发出去。工程师还可以通过优化肋片的形状，如，波纹状、锯齿状等方式进一步增加散热器的扩展面积。

虽然散热片的表面积越大，散热效果越好，但不能片面认为散热片越大越好。不论采用自然散热还是强制冷却，散热器肋片的间距都是决定流过其表面空气换热系数的重要因素。

The impact of Fin spacing and height on heat dissipation efficiency

在自然散热情况下，散热器壁面会因为表面的温度变化而产生自然对流，造成肋片壁面的空气层（边界层）流，过小的肋片间距会阻碍自然对流的顺利进行。在强制冷却情况下，肋片边界层厚度会被压缩，肋片间距可以相对变窄，但受到加工手段和动力元件驱动力的影响，并不能太小，因此实际设计中肋片的厚度与高度的平衡非常重要。

2-散热器基板设计

基板厚度是影响散热器效率的重要因素。散热器基板较薄时，向远离热源的肋片传递的热阻较大，会导致散热器上温度分布不均匀，并且抗热冲击能力较弱。

基板厚度增加可以改善温度不均问题，增加基板厚度可以改善温度不均问题，并提高散热器的抗热冲击能力，但太厚的基板会造成热的累积，反而使热传导能力降低。

Heatsink working principle diagrammatic sketch

如上图：

当热源面积小于底板面积时，热量需要从中心向边缘扩散，形成扩散热阻。热源的位置对扩散热阻也有影响。如果热源靠近散热器边缘，则热量更容易通过边缘传导出去，从而减少扩散热阻。

注：扩散热阻是指在散热器设计中，热量从热源中心向边缘扩散过程中所遇到的阻力。这种现象通常发生在热源面积与底板面积相差较大时，热量需要从一个较小的区域向较大的区域扩散。

3-肋片与基板的连接工艺

散热器肋片与基板的连接工艺通常涉及多种方法，以确保两者之间的良好热传导和机械稳定性，主要分为两大类：一体成型，非一体成型。

一体成型的散热器，散热齿和散热器基板为一体，不存在接触热阻。主要有以下几种工艺：

l 铝压铸成型：通过将铝锭熔化成液态后，利用高压将其填充到金属模型中，并通过压铸机直接压铸成型的散热器，可以制作出形状复杂的散热片。    

l 铝挤成型：将铝材加热后，将铝材置入挤压筒内并施加一定的压力，使之从特定的模孔中流出，从而获得所需的截面形状和尺寸的毛坯，再经过切割、精加工等进一步加工。

l 冷锻处理的优势是可做细密散热齿，材质导热系数较高，但成本相对较高，异形处理能力优于铝挤。

l 铲齿散热器材质可以是铜，导热系数高，翅片可以非常细密，翅片直接从基板上用刀具铲起，所以当翅片高度较大、长度较长时，受应力影响，容易造成翅片变形。

非一体成型，散热齿和散热器基板分别加工，然后将散热器肋片与基板通过焊接、铆接、粘接等工艺结合在一起。主要有以下几种工艺：

l 焊接式：鳍片和基板通过焊料焊接连接在一起，有高温钎焊和低温锡膏焊接。

焊接传热性能好；用锡膏焊接Al基板及散热片，需要先镀镍，成本较高， 不适合大尺寸的散热器；用钎焊不需要镀镍，但焊接成本仍然很高。

l 铆接式：鳍片插入到基本的凹槽后，通过模具将凹槽往中间挤压，从而紧紧抱住散热鳍片，实现紧密牢固结合。

铆接式的优点是传热性能好，但铆接的产品在经过反复使用后，有产生间隙和松动的风险；可以改善铆接工艺提高可靠度，但成本也会相应增加，故铆接式的插片散热器常用于对可靠度要求不高的场合。

l 粘接式：一般是采用导热的环氧树脂，将散热鳍片和基板紧紧地粘接起来，实现热量的传导。

粘接式采用导热的环氧树脂，其导热系数相对于焊接来说，低了很多，但适合FIN较高及高倍比、小间距的散热器。在散热性能要求不高的场景下，可以使用。

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