5种热管散热器的性能与成本比较

在不同的应用领域，关于散热器的解决方案的工程决策可能取决于成本和性能。理论上，似乎很容易得到低成本的产品，以满足性能要求。事实上，当面对过高的价格时，客户往往会选择改变性能规格(切换到不同的芯片)或牺牲一些性能(如根据情况降级芯片)。然而，在某些情况下，如果不能牺牲性能，就需要更昂贵的冷却方案。

比较几种热管/蒸汽室型散热器的性能和成本:

性能:使用FloTHERM CFD软件包计算散热器的整体ΔT。

成本:假设批量足够大，硬模的投资成本不会反映在单价中。此外，单价是相对于低成本的解决方案(1x, 1.1x等)，因为增加批量将降低单位成本。

散热器设计参数

热源功率:250w

热源尺寸30×30 mm

环境温度:25℃

空气流量:40立方英尺每分钟(CFM)

冷凝器:可扣式翅片尺寸115*85* 65mm

请注意，我们没有指定Tcase/Tjunction max，因为本文的目的不是选择一个特定的解决方案，只是为了显示一些基本参数的变化导致的计算差异。对于不熟悉Tcase重要性的机械工程师来说，这里是一个简要的说明。Tcase高温减去室温给出了“热预算”，它须大于散热器计算，以确定散热器性能的通过/失败。例如，当热预算为40℃时，要求包含散热器和散热器的散热器小于40℃。

让我们从基本的设计开始，然后深入到复杂的过程，看看设计是如何影响性能和成本的。

1. 铝或铜基热管散热器

从热管与热源的接触界面来看，这是传统的热管散热器设计。4 u型热管在与热源接触前，先焊接在铝或铜基体上。热量通过底座才能到达热管。

4根6mm热管除了弯曲外，没有进行其他二次操作，虽然在本例中热管与底座的接触部分略平。

FloTherm模型显示散热器温度比环境温度(78.9°C - 25°C =基准温度-环境温度)高53.9°C，我们将此温度作为性能基准，将成本基准作为1x。

如果需要更高的性能，可以用铜基代替铝基。铜基的导热系数是铝基的两倍，因此铜基的性能提高了2.3℃。铜底座设计成本比铝底座高5%，重量也略有增加。

2. 直接接触热管散热器

这种设计允许热源与热管直接接触，消除了散热器底座和接口材料(用于将热管固定在底座上的焊料)。然而，为了获得必要的表面平整度，须对热管进行机加工(二次加工)。

由于热管直接与热源接触，该设计将散热器的性能提高到49.3°C，比基准提高了4.6°C，比使用铜底座的设计提高了2.3°C。但需要对底座(热管嵌槽)和热管进行额外的加工，成本是基准设计的1.1倍(贵10%)。

3.u形均温板散热器

在这个方案中，一个u形的蒸汽室代替了四个6mm的热管。在设计上，它类似于直接接触热管散热器，两者都允许热源CPU直接接触两相组件。在选择这种设计时，一个重要的考虑因素是，散热器供应商是否可以制造一件式的蒸汽室，因为传统的两件式设计不能弯曲成u形。

与直接接触热管设计相比，蒸汽室方案的性能提高了21.5%(11.6°C)，而成本仅提高了4.55%。然而，增加的蒸汽室壁厚导致大约75克的散热器重量增加。

4. 三维蒸汽室散热器

在本设计中，散热器底板是一个蒸汽室，它与垂直冷凝器热管共享一个贯穿的蒸汽通道。在制造阶段，将8根开放式热管钎焊到有开口的蒸汽室中;蒸汽室与热源直接接触，将热量沿XY平面均匀分布，并通过垂直热管输送到翅片上。

这种设计性能好，但成本较高。与接近的竞争对手的u型蒸汽室设计相比，它的温度低了近2度(性能提高4.9%)，但价格却翻了一番(多117%)。

然而，应该指出的是，这个案例并没有充分突出3D气室设计的潜在优势。随着所需底板尺寸的增加，这种解决方案与u型气室设计之间的性能差异也会增加。

通过改变散热器材料或两相部件，可以获得可观的性能提升，从基准的铝基散热器到3D蒸汽室解决方案，提高了17°C的性能，但成本高出150%。

散热器性能与成本比较

用导热性更好的铜材料替换基底，或将热管直接与热源接触，可以获得大约7%-15%的性能提高和成本增加(相对于基线)。

给定应用参数，总体值的设计可以是蒸汽室散热器。尽管它比基准测试贵了15%，但性能却提高了28%(提高了15.2°C)。