三、散热器介绍 散热器即为一散热扩展面，热阻表征其散热性能的优劣。 如何提高散热器的散热能力？ 1）提高表面积A 提高表面积A而言就是要在相同空
三、散热器介绍
散热器即为一散热扩展面，热阻表征其散热性能的优劣。
如何提高散热器的散热能力？
1）提高表面积A
提高表面积A而言就是要在相同空间内适当增大散热面积，新工艺 散热器不断降低翅片厚度，提高翅片密度也主要是基于这方面考虑。
热管的作用是传热而不是散热 ，主要有两种用法：一种是把热量 从一处传递到另外一处去散发，如 CPU Cooler；另外一种是用于大散 热器基板的均热，如RPA热管散热 器。这两点在我们的单板上多需要 更大的空间，因此用热管散热器有 其局限性，特别是在器件密度较高 的单板上。
2）提高换热系数h
就提高换热系数而言，可以提高散热器表面流速，被动散 热就是加大系统风速，主动散热就要提高板级风扇的流量；
3）提高发射率
辐射散热能力提升主要通过提高散热器表面发射率来实现，常 用方法是表面做涂漆、喷沙提高粗糙度、阳极氧化等措施。辐射对 散热在自然散热条件下有一定影响，强迫空冷基本没有效果，并且 一般散热器发射率的差异不大，在我们的产品中一般不作重点考虑
问题：
安装散热器都可以强化芯片散热吗？
热管散热器设计与应用技术
技术应用背景：
随着我司产品功能的不断拓展，整机及关键器件的功耗也快速上升。如光网络的xxxx交叉板上的xxxx芯片，功耗达xxxW，在1m/s系统来流条件下散热器热阻需达1.2K/W的水平； 波分拉曼光模块功耗达40W，最大允许壳温仅70℃，对散热器的热阻要求小于0.37K/W。针对上述应 用场景，普通的铝型材、铜焊等类型的散热器已不能满足热阻要求，需要采用性能更加优越的新型散 热器。
技术简介及应用场合：
热管是一种依靠内部工质相变进行高效热量传递的导热元件，通过在散热器基板埋入及穿FIN等手 段实现散热器基板的均温及提高翅片效率等，从而实现散热器整体性能的大幅提升。由于我司产品的 槽位宽度窄，限制了散热器的可用高度空间，决定了大多数的应用是针对大功耗器件的散热器基板均 温形式的应用。
热管散热器设计与应用技术
友商应用分析：
IT友商最早使用该类散热器解决诸如大功耗CPU、笔记本电脑CPU的远端散热等，技术成熟 ，应用可靠性高，成本也随着应用量的增长而快速降低，目前业界已开始广泛采用。
通信友商在其高功耗IC器件、高热流密度模块等应用场合也已采用这类散热解决散热问题。
我司技术研究及应用情况：
针对高性能热管散热器的应用需求进行了精细化研 究，掌握仿真分析及测试技术，并建立了针对热管散热 器的测试平台，对热管散热器的肋片间距优化和热管均 温布局优化进行了深入研究，成果支撑光网SD585、拉 曼光模块等的散热；ATCA服务器80W和95W CPU的散 热中，散热器热阻达到0.35℃/W，并比优化前成本降低 15％。
蒸汽腔散热器设计与应用技术
技术应用背景：
高性能刀片服务器和大功耗光模块等应用场合中，单个器件功耗大、散热器可用高度严重受 限相应的给散热器的设计与应用带来极大的挑战。
Intel、AMD等CPU厂商新近推出的性能优化双核、四核等服务器CPU（如Clovertown和 Harpertown等）功耗都已达到120W甚至更高的水平；我司目前所用的xxxx光模块，其整体 功耗为26W，其中单个器件最高功耗9W，散热器整体可用高度仅8mm。预研中的波分xxxx光模 块总功耗提升至36W，将带来更大的散热挑战
技术原理：
针对上述的高热流密度器件散热及散热器整体高度严重受限的应用场合，进行了专门针对此 类问题的蒸汽腔散热器（Vapor Chamber Heat Sink, VCHS）技术研究，
蒸汽腔散热器本质上是将整块基板做成扁平状的热管，实现基板的良好均温，从而进一步提 升散热器的整体性能。
其工作原理图如下图所示：集中热源对VC基板局部加热，导致该处工质沸腾蒸发，由于流动 阻力极小，工质蒸汽在蒸汽空间内快速完全扩展并在安装翅片一侧的冷端面放热冷凝，冷凝后的 工质液体再经由吸液芯结构输运至热源处再次蒸发，从而完成工质循环和热量传递。我司测试研 究表明，该种新型散热器的基板平面方向的当量导热系数值可达4000W/mK的水平，是纯铜材料 的十倍以上，可以极大改善局部热点问题。
高效散热器技术
散热器多维优化技术，该技术通过开发流阻快速优化工具、矢量耦合翅片优化技术,制定散热器品质因数benchmark ，实现对散热器热阻、流阻、结构尺寸、重量，基板均温性及翅片效率等多参数的快速联合优化，突破以往散热器 仅优化热阻和流阻的局限。 技术成果支撑光网PTN3900 PIU二极管散热器及OSN1900 X11芯片散热器的设计优化，温 度改善达1.8℃和2.6℃，比友商Alcatel 1850对应散热器热阻性能提升30％；数通灵活插卡SD5401 30W芯片使用该 技术优化后温度改善5℃，并支持芯片功耗比友商Cisco的灵活插卡产品提升20％；我司120W CPU散热器，优化后热 阻改善9％，相比友商IBM服务器散热器，热阻性能改善15％。
梯度优化热管均温排布技术，该技术针对双热管及四热管排布提出了nU的最佳排布形态，解决Low Profile应用形式 的热管散热器基板均温布局难题，突破以往热管散热器设计中多凭经验和大量测试对比的局限。技术成果支撑我司 CGA热管散热器、HWSA 80W热管散热器及SDNA 95W热管散热器等的设计、优化，平均热阻改善幅度达11.5％，相比友 商HP Proliant D500系列高端服务器所用热管散热器，权重评价指标提升25％以上。
四、导热介质介绍 导热材料能填充界面间隙，降低界面热阻！ 选择导热材料关注接触热阻（微小间隙填充能力）、材料导热性能以及实际使用条件。 导热
四、导热介质介绍
导热材料能填充界面间隙，降低界面热阻！
选择导热材料关注接触热阻（微小间隙填充能力）、材料导热性能以及实际使用条件。
导热材料分类：为满足不同场合的散热需求目前很多导热材料厂家开发了各种各样 的界面导热材料，根据界面导热材料的特点，可以大致分为以下几类：
金属材料，如Sn/Pb焊料等、导热（硅）脂类、导热硅橡胶类，如导热垫等、胶水类，如315胶等、导热粘性模（带）类、相变导热材料类、混合物类（compounds)、导热绝缘垫片（无弹性）等等。。。
常用的界面导热材料——导热脂
通常由复合型导热固体填料、高温合成油（基础油如硅油），并加有稳 定剂和改性添加剂调配而成的均匀膏状物质，常用的导热脂为白色，也 有灰色或金色的导热脂等颜色。导热颗粒通常采用氧化锌、氧化铝、氮 化硼、 氧化银、银粉、铜粉等。
1）为最常见的界面导热材料 ）为最常见的界面导热材料, 常采用印刷或点涂方式进行施加。 常采用印刷或点涂方式进行施加。
2)
2)用于散热器和器件之间，散热器采用机械固持，最主要的优点为维修方便,价 格便宜。
3）因可以很好的润湿散热器和器件表面，减小接触热阻，所以其导热热阻很小， 适合大功率器件的散热。
4）使用时需要印刷或点涂，操作费时，工艺控制要求较高，难度大。
导热脂厚度与性能的关系
热阻与硅脂厚度的关系图
硅脂厚度与组装压力的关系图
结论：厚度越薄，热阻越小，因此使用时要控制厚度
使用方法
导热硅脂使用前，需要用干净碎棉布沾酒精进行先将器件、散热器表面擦洗干净。
导热硅脂使用时要求采用钢片等印刷工装进行硅脂的印刷施加，如下图所示，可根据实际单板布局情况灵活选择印刷在器件或散热器上。
印刷在器件上
印刷在散热器上
采用工装进行硅脂印刷时，需要对印刷面积进行控制。
导热硅脂印刷涂覆面积推荐占器件与散热器总接触面积的70％～80％.
我司导热硅脂可印刷最小厚度为0.08mm，推荐印刷工装的钢网厚度采用0.08～0.12mm； 对于平面度较差的装配，可适当增加钢网厚度。对于手工涂抹硅脂的器件，要求硅脂尽可能 少 热设计 http://www./
高导热系数导热硅脂应用时可通过合理设计工装，控制厚度，从而减小热阻，因此厚度控 制工艺是导热硅脂应用的难点。
使用注意事项
1） 导热硅脂本身是绝缘介质，但是由于施加的层薄，难以避免固体凸点的接触，通 常需要绝缘的地方不能使用导热硅脂。
2）为获得较好的接触性能，安装时需要一定的紧固力（>5psi）。
3）硅脂在使用时都会有硅油渗出，造成硅油污染，不适合周围有裸露触点的继电器的 场合。
使用注意事项
使用方法详见《结构工艺规范库》数据库中的导热材料存储与使用规范！
导热硅脂的稳定性
常用的界面导热材料——导热胶
简介：主要由胶粘剂与导热颗粒组成，施加前是膏状混合物，施加后在一定的时间和条件下分 子交连，固化。常用的导热胶按照胶体类型来分可以分为：环氧树脂系（Epoxy based）、丙烯酸系 （Acrylic based）、有机硅系（silicone based）。按照组份分单组份、双组份。
具有较好的粘结作用，不需机械固持；
双组分，但无需混合，一边涂胶，一边涂固化水，具有使用方便，常温固化，固化条件简单、固化 速度快等优点；
导热系数低（约0.8W/mk），只适合用于小功率器件的散热；
导热界面层的厚度一般在4～5mil之间；
可返修；
对散热器表面状态敏感，表面污染的器件或散热器的结合力弱；
现场工艺控制严格，胶层太厚或固化水太多都会影响结合力。
导热胶：我司目前生产采用的导热胶为丙烯酸系导热胶Loctite315
315导热胶的使用方法
1、首先用酒精擦拭芯片和散热器粘接面；晾干（约1min后即可）
2、采用0.12mm的导热胶印刷工装，涂胶方式推荐为固化水涂在散热器上，导热胶涂在芯片表面。
3、采用干净的毛刷在散热器上刷涂固化水，不超过2滴，使粘结面有润湿的痕迹即可.然后待固化 水挥发15s—1min后（不能超过30min），组装上散热器。
4、采用5-10N的压力，从中间均匀挤压散热器，以使胶层均匀分布，实现良好的粘结层；
5、固化时，采用压块工装施加约1psi的压强，以控制胶层的厚度在0.15mm以下；
6、一般情况下，40min后，315胶的粘接强度可达到完全固化的80％；24h后，315胶可完全固化。
备注：
芯片表面凹凸不平的特殊情况（例如FCBGA），则芯片表面也需要先涂固化水之后再涂胶。
我司对导热胶的性能要求?
施工性能：容易涂布，与我司现有印刷工艺兼容?
绝缘性能：导热胶必须绝缘?
固化特性：在供应商所给的条件下能完全固化，固化条件和时间要方便操作。?
剪切强度：剪切强度高，使用时无需额外的机械固持。（Min 200psi）?
抗振动：通过标准的震动试验（以满足在运输过程中，散热器不掉件）?
耐温性：在使用温度下仍具有一定的强度，保持散热器不掉落。?
返修要求：可返修
环境适应性：满足GR3108环境可靠性要求
存在某些芯片因周围器件干涉，无法使用手持式刷胶工装将315胶涂在芯片上，可使用翻盖工装，将 315胶涂在散热器上。禁止手工刷胶。
——315胶的详细使用事项参见《导热胶存储与使用规范》
常用的界面导热材料——导热垫(Thermal conductive Gap pad)
主要应用及特点：?
主要用于当半导体器件与散热表面之间有较大间隙需要填 充，
或几个芯片要同时要共用散热器或散热底盘时，但间隙不 一样的场合，?
或加工公差加大的场合，表面粗糙度较大的场合。?
同时由于导热垫的弹性，使导热垫能减振，防止冲击，且 便于安装和拆卸。
我们公司认证的导热垫一般用在芯片与结构件进行直接接触导热，或光电转换模块上用到的 激光驱动器与结构件及屏蔽罩进行直接接触导热。
Gap pad 3000s比Gap pad vo soft贵，一般情况下，导热系数越高，成本越高。
对导热垫的性能要求和主要检测项目：
1）导热系数和热阻：热性能满足要求
2）硬度：优先选用硬度较低的材料
3）绝缘性能：要求耐压满足产品需求（一般3KV）
4）阻燃：要求材料阻燃级别达到V1及以上
5）油离度和出气量：满足Bellcore标准要求，越低越好
常用的界面导热材料－相变导热膜
功能特点：
1）具有一定的相变温度：一般在40－70度之间，
2）使用时需要机械固定，一般需实现5~20psi的界面压力，
3）热阻最低可以达到0.01℃.In2/W，适合用于大功率器件的界面导热，
4）材料厚度一般在3－5mil之间，
5）可分为绝缘型和非绝缘型两大类，绝缘型的可以使用于需要绝缘的场所。
相变导热膜的优点：?
可根据安装环境，制备成合适的尺寸，便于安装，效率和利 用率高，组装成本较低；
多为石蜡及其改性材料，环保无污染，满足环护要求；?
具有较低的热阻、相变特性、触变性、优良的润湿性；绝缘 特性，可以适合于有绝缘要求的界面。?
厚度一定，热阻可控性好。
相变导热膜的缺点：?
无粘结作用、需机械固持；?
使用过程中需发生相变，方可很好的润湿界面
相变导热膜应用方法示例
Step1：将相变膜贴在散热器或器件上；
Step2：垂直力撕去离心纸；
Step3：组装好器件，拧紧螺钉，完成组装即可。
对于中间有载体，不需离心纸保护的相变膜，根据预先制定好的形状，直接将相变膜置放在器件或 散热器的指定部位，安装好螺钉即可。
对导热相变导热膜的要求?
绝缘性能：绝缘型相变膜要求绝缘耐压满足产品要求?
相变温度：易于操作，等于或低于我司一器件的壳温?
材料本身容易 操作，方便组装
可拆卸、返修?
热阻低，满足不同功率器件的界面传热需求?
热阻稳定性：高温或温度循环条件下要求热阻稳定
常用的界面导热材料——导热双面胶带
定义：胶带是胶粘剂中特殊类型, 将添加有导热 填料的胶液涂于基材上，形成双面胶带状的界面导热 材料。双面胶带可分为溶剂活化型、加热型和压敏型。 导热双面胶带绝大部分属于压敏胶粘带。
组成：压敏胶粘剂、基材、底层处理剂、背面处 理剂和隔离纸
主要特点：
1、可根据界面形状灵活制备各种形状
2、具有较好的粘结力，某些场合下可以取代螺 钉固定?
3、导热系数一般较低，多用于小功率器件?
4、操作方便简单
业界应用情况：
Case1：Alcatel T7324上采用导热双面胶带作为界面导热材料，在散热器两边对角点硅胶加固。
Case2：HPDL380G3系列服务器所有散热器皆用导热双面胶带作为界面导热材料，散热器上有一
些小螺钉，如下图所示：
应用要求：
1、待粘结的表面必须很平整，平整度小于0.025mm/mm。
2、为提高粘结的可靠性，需增加其他简易辅助固定措施。
五、单板强化散热措施 1、PWB热特性 1）FR4导热系数0.3W /(m*K),铜导热系数380W /(m*K)。 2）PWB是FR4和铜组成的分层复合结构，由于Cu与基材导热性能的差 异，多
五、单板强化散热措施
1、PWB热特性
1）FR4导热系数0.3W /(m*K),铜导热系数380W /(m*K)。
2）PWB是FR4和铜组成的分层复合结构，由于Cu与基材导热性能的差 异，多层PCB基板导热特性为各向异性，整体的导热系数是各向异性 的，相似的材料如石墨、木材。
3）在PWB平面方向导热系数高，一般范围在10～45W/(m*K)
4）在PWB法线方向导热系数很低，0.3W /(m*K)附近。
2、PWB强化散热措施
针对PWB的特点，PWB强化散热的核心思路为：
1、把器件的热量传递到PWB内部，减少器件向PWB的传热热 阻，可采取的强化散热措施是：在单板上打过孔?在单板表面铺铜皮
2、把PWB一点积聚的热量（从器件传入的）扩散到整体PWB 的表面，再通过对流和辐射传递到外界环境中，可采取的板 级强化散热措施是：?
增加单板含铜量，降低热量在单板平面方向传递的扩展 热阻。
1）散热过孔设计
散热过孔主要作用是层与层之间的热连接以及增加法向上的导热能力。
单考虑过孔是没有意义的，因为热量必须从四周汇集到过孔的位置，因此必 须考虑过孔区域整体的传热情况。
单纯从导热系数的分析看，是否塞孔 对导热系数影响很小。
不塞孔容易产生漏锡，焊接面有空穴。 焊锡漏到背面影响平整度。
从实际的热测试对比看，三种处理方 式的散热效果排序为：
塞焊锡>塞阻焊>不塞孔
PWB上设计有大量的过孔，但对于热设计来说，真正起到散热作用 的只有器件PAD底部的过孔和器件接地管脚旁边的几个过孔，这部分过 孔的设计就非常重要。过孔的作用是把器件的热量传递到器件正下方的 PWB内，并不能实现热量在PWB内的扩散。增加过孔的数量可以降低器 件与PWB的传热热阻，但是过孔达到一定量后对散热的改进幅度会降 低，另外过孔设计也收到单板工艺能力的限制，可以通过热分析优化确 定过孔的数量。热设计 http://www./
测试和分析研究表明，散热最优的过孔设计方案为：孔径10～ 12mil，孔中心间距30～40mil，也可以根据器件的热耗水平和温度控 制要求对过孔数量进行优化
PWB铜皮的作用是把局部传入PWB的热量扩展到更大的范围 内，因此增加铜皮的厚度可以增强传热效果。PWB内铜皮只有连续 的铜皮才能起到传递热量的作用，因此需要注意铜皮的分割。
2）增加散热铜箔的层数、铜箔厚度对于平面方向的导热性能改善高于法向方向 上导热性能的改善。
增加散热铜皮面积，对底部散热型器件的散热能力增强。面积增加对器件散热能力改善有效性有范围。
板级流量管理技术
局部交叉风道技术，通过二次引入冷却气流强化后端级联器件散热，实现流量按需分配，降低单板上器件的级联效 应50％。该技术解决了UTP 40个双层级联光模块的散热难题，比原系统支持光模块数量增加28个，友商尺寸规格单 板目前只支持24个光模块的级联使用。目前该项技术在数通NE40应用，可以达到CISCO的出线阵列数量的最高水平。 光网6800高密排布单板中准备应用该技术。
旁流抑制技术（Bypass Control Technology，BCT），通过开发漏斗形进风口、导流板等气流管理模块，实现对特 定器件区域的局部强化，以利用气流的冲刷效应达成改善HOTSPOT器件散热的目的。该技术在满足同等系统功耗条件 下，可降低风量需求15%。该技术在光网6040系统LOM单板上应用，使电源模块温度降低达25℃，解决瓶颈散热问题 ； 数通NE40E－4系统Lanswitch单板采用该技术后光模块壳温对比降低达10℃，支撑数通单槽位450W散热能力；
六、单板布局原则
1、基本原则
1）发热器件应尽可能分散布置，使 得单板表面热耗均匀，有利于散热。
2）不要使热敏感器件或功耗大的器 件彼此靠近放置，使得热敏感器件 远离高温发热器件，常见的热敏感 的器件包括晶振、内存、CPU等。
3）要把热敏感元器件安排在最冷区 域。对自然对流冷却设备，如果外 壳密封，要把热敏感器件置于底 部，其它元器件置于上部；如果外 壳不密封，要把热敏感器件置于冷 空气的入口处。对强迫对流冷却设 备，可以把热敏感元器件置于气流 入口处。
2、强迫风冷的器件布局原则
1) 参考板内流速分布特点进行器件布局设计，在特定风道内 面积较大的单板表面流速不可避免存在不均匀问题，流速大的 区域有利于散热，充分考虑这一因素进行布局设计将会使单板 获得较优良的散热设计。
2）对于通过PWB散热的器件，由于依靠的是PWB的整体面积 来散热，因此即使器件处于局部风速低的区域内，也并不一定 会有散热问题，在进行充分热分析验证的基础上，没有必要片 面要求单板表面风速均匀。
3) 当沿着气流来流方向布置的一系列器件都需要加散热器时，器件尽量 沿着气流方向错列布置，可以降低上下游器件相互间的影响。如无法交错 排列，也需要避免将高大的元器件（结构件等）放在高发热元器件的上方。
4）对于安装散热器的器件，空气流经该器件时会产生绕流，对该器件两 侧的器件会起到换热系数强化作用；对该器件下游的器件，换热系数可 能会加强，也可能会减弱，因此对于被散热器遮挡的器件需要给出特别 关注。
5）注意单板风阻均匀化的问题：单板上器件尽量分散均匀布置，避免沿 风道方向留有较大的空域，从而影响单板元器件的整体散热效果。
