5种热管散热器的性能与成本比较

散热器是应用在大功率电子设备处理器上的核心散热组件，随着5G新基建的快速展开，散热器在围绕5G高速基础网络的数据中心、高性能计算、电动汽车等领域的市场需求将急速提升。

摘要：本文比较了5种不同的热管散热器设计在成本和性能上的差异：带基板的U形热管（Cu和Al）、直接接触式热管、U形均温板以及3D均温板散热器。

在不同领域的应用中，关于散热器最佳解决方案的工程决策都可能取决于成本与性能。从理论上讲，获得成本最低的产品来满足性能要求似乎很容易。实际上，客户面对过高售价时通常选择更改性能规格（换用不同的芯片）或牺牲部分性能（如根据条件对芯片进行降级）。但是，在某些无法牺牲性能的情况下，往往需要更昂贵的散热解决方案。

本文针对性能与成本这两个指标比较了几种基于热管/均温板的散热器：

• 性能：使用FloTHERM CFD软件包计算散热器整体的ΔT。

• 成本：假设批量足够大，硬模投资成本不会反映在单价中。此外，单价相对于最低成本的解决方案（1倍，1.1倍等）是相对的，因为增加批量将降低单位成本。

散热器设计参数

• 热源功率：250 瓦

• 热源尺寸 30×30 mm

• 最大环境温度：25℃

• 空气流速：40 立方英尺/分钟（CFM）

• 冷凝器：卡扣式翅片尺寸 115*85*65 mm

请注意，我们保留 Tcase/Tjunction max 未指定，因为本文目的不是选择特定的解决方案，只是为了显示某些基本参数变化导致的计算差异。对于不太熟悉 Tcase 重要性的机械工程师，下面给出简单解释。Tcase 最高温度减去最高环境温度为我们提供了"热预算"，此值必须大于散热器ΔT计算值，才能确定散热器性能通过/不通过。例如，热预算为 40℃， 要求散热器包括吸热底座与散热片的ΔT必须低于40 ℃。

热管散热器设计的性能与成本对比

让我们从最基本的设计开始，逐步深入到复杂的过程，看看性能和成本如何受设计影响。

1、铝或铜底座热管散热器

U型铝底座热管散热器

就热管与热源的接触界面而言，这是最传统的热管散热器设计。4个U形热管焊接到铝或铜底座上，然后再与热源接触。热量必须先穿过底座，然后才能到达热管。

除了折弯，没有对四根6mm热管进行其它二次作业，尽管本实例中热管与底座接触部位略微扁平。

铝底座热管散热器的CFD

FloTherm模型显示，散热器温度比环境温度高53.9 ℃（78.9℃ – 25 ℃ =基准最高温度–环境温度），我们将此温度作为性能基准，成本基准定义为1倍。

如果需要更高的性能，则可以用铜底座代替铝底座。铜底座导热率是铝底座的两倍，因此铜底座性能提高2.3 ℃。铜底座设计比铝底座成本增加5%，重量上也略微增加。

2、直接接触式热管散热器

直接接触式热管散热器

这种设计允许热源与热管直接接触，从而取消了吸热底座和接口材料（用于将热管固定至底座的焊料）。但是，为了获得必要的表面平整度，必须对热管进行机加工（二次操作）。

直接接触式热管散热器的CFD

因为热管与热源直接接触，这种设计散热器性能提高到49.3℃，比基准提高了4.6℃，比使用铜底座的设计也提高了2.3℃。但是，其需对底座进行额外的加工（热管的镶嵌凹槽）和对热管进行加工，其成本是基准设计的1.1倍（贵10％）。

3、U型均温板散热器

U型均温板散热器

这种方案，单个U形均温板取代了四根6mm热管。在设计上，它与直接接触式热管散热器最相似，这两种设计都允许热源CPU与两相部件直接接触。选择此设计的重要考虑因素是散热器供应商是否能够制造一体式均温板，因为传统的两件式设计无法弯曲成U形。

U型均温板散热器的CFD

与直接接触热管设计相比，均温板解决方案的性能提高了21.5％（11.6℃），而成本仅增加了4.55％。但是，均温板壁厚的增加导致散热器重量增加了约75克。

4、3D均温板散热器

3D均温板散热器

这种设计，吸热底板是一个均温板，其与垂直冷凝器热管共享贯通的蒸气空道。制造阶段，将8个开口式热管钎焊到带有开孔的均温板中；均温板与热源直接接触，沿XY平面均匀分布热量，并通过垂直热管把热量散布到鳍片。

3D均温板散热器的CFD

这种设计具有最佳的性能，但成本较高。跟它最接近的竞争对手U形均温板设计相比，它的温度降低了将近2度（性能增加了4.9％），但价格却翻了一番（增加了117％）。

但应该注意的是，该案例并未完全突显3D均温板设计的潜在优势。随着所需底板尺寸的增加，该解决方案与U形均温板设计之间的性能差异也随之增加。

总结

下表显示，更改散热器材料或两相部件，可以获得相当可观的性能提升，从基准铝基散热器到3D均温板解决方案，性能提高了17 ℃，然而成本却提高了150％。

散热器性能与成本比较

通过将底座更换为导热性更强的铜材料或使热管与热源直接接触，可以获得约7%-15％的适度性能提升和成本增加（相对于基准）。

在给定应用参数的情况下，总体价值最佳的设计可能是均温板散热器。尽管它比基准价格贵15％，但性能却提高了28％（提高了15.2℃）。

Celsia是一家采用均温板和热管技术进行散热器定制的专业制造商。Celsia专注于：散热器设计，散热器原型开发，散热器制造，热管，均温板，定制热管芯材。

Celsia散热器的设计工作都是在美国总部和台湾工厂之间共同完成的，并在位于桃园市的台湾工厂进行生产，组装和质量检查。

本文来源：celsiainc

编译整理：5G产业通，仅供行业交流！

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