摘要 – 本文比较了三类散热器设计：实心金属底座、嵌入式热管底座和均热板底座。__根据性能、重量和成本对每个散热器设计进行比较。
工程师经常负责优化散热器设计，在散热器性能、重量和成本之间进行仔细权衡。有时决定很容易，例如当低成本替代方案允许设备满足或超过所有产品要求时。但是，当热预算紧张和/或不同产品配置（更高功率半导体）需要单个散热器时，做出决定就更加困难。在这些情况下，应考虑替代散热器材料。
在本文中，我们将介绍 5 种散热器设计选项（分为 3 类），每种散热器底座使用不同的材料：6mm 固体金属底座（铝和铜），6mm 厚的嵌入式热管底座（铝和铜）和一个 4 毫米厚的铜/水蒸气室底座。对于所有选项，热源与设备直接接触（无安装板）。

散热器设计比较：实心金属底座、嵌入式热管底座、蒸汽室底座

此外，每个散热器设计都受以下操作参数的约束：

• 热源：10x10mm 产生 100W
• 最高环境温度：45 o C
• 时间：K = 3W/(mK)
• 铝翅片包装尺寸：150 x 99 x 30mm。
• 散热片厚度 = 0.3mm，翅片间隙 = 1.2mm
• 气流：50 CFM

散热片气流方向

散热器设计类别 #1：铝或铜的实心 6mm 金属底座

在评估任何散热器设计时，最重要的一个参数是相对于计算的热预算（Tcase Max – Max Ambient）的热模块 delta-T。我们知道最大环境温度为 45 o C，如果我们假设最大 Tcase 为 80 o C，我们的热预算将为 35 o C。作为一般规则，当热预算低于 40 时，考虑使用热管或均热板设计的散热器Ø C。

铝基 (L) 和铜基 (R) 散热器

虽然铝和铜散热器设计最具成本效益，但热模块 delta-t 都不在计算的 35 o C 热预算范围内。如果预算高 5 度，铜散热器底座版本将满足要求，但要付出巨大的重量损失（500 克对 1,055 克）。这可能会带来问题，因为许多应用具有严格的冲击和振动和/或便携性要求，这些要求决定了散热器的最大重量。虽然没有在表中显示，但将铜基厚度增加到 12 毫米会产生 34.4 o C 的热模块 delta-t，但重量超过 1,800 克。

散热器设计类别 #2：铝或铜底座中的嵌入式热管

在此散热器设计方案中，我们在散热器底座上添加了两个 6mm 热管，它们已弯曲并压平至 3mm。请注意，由于这些是直接接触热管，因此热源下方的表面经过加工（0.025mm/cm）以确保其与热源之间的良好接触。

铝基板 (L) 和铜基板 (R) 中的嵌入式热管

与固体金属底座相比，添加热管可将铝制版本的散热片性能 (delta-t) 提高近 26 o C，铜制版本提高近 8 o C。在这里，我们看到两个散热器都轻松超过了我们 35 o C 的热预算。与我们的固体金属解决方案一样，铜版本的重量大约增加了一倍，同时价格上涨了相同的数字。

散热器设计类别 #3：蒸汽室 (VC) 底座

蒸汽室散热器设计是最有效的，这一点不足为奇，在 26.0 o C 时具有 delta-t - 比最接近的替代方案低 5 度以上。此外，4mm 的均热板将散热器的整体高度降低了 2mm。如果设计人员不需要额外的空间，可以将其添加回鳍片区域，进一步降低散热器热阻。

蒸汽室底座（最右边）与替代品的比较

总结我们的选择，我们已经取消了使用坚固金属底座的散热器设计，因为它们不符合散热要求，但却是最便宜的解决方案。从重量和成本的角度来看，除非考虑其他因素，否则带有铝制底座的嵌入式热管设计显然是赢家。例如，如果更强大的热源计划用于相同的外形尺寸，并且我们希望最大限度地提高散热器的规模经济（在多个产品配置中使用相同的散热器），那么我们应该计算最大功率处理能力而不违反我们的热预算。
使用 35 o C 的热预算，我们可以计算以下每个剩余选项的最大热源功率输入。

• 铝基热管：106 瓦（35 o C /0.327 热阻）
• 铜底座热管：112 瓦
• 蒸汽室底座：135 瓦

当然，在进行此计算时，我们需要确保两相设备本身能够在灯芯干涸之前处理额外的功率。在这种情况下，热管和均热板都可以这样做。