學(xué)術(shù)報告研討會課程報告

1、電子設(shè)備散熱技術(shù)研究摘要： 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，使得電子器件的熱流密度不斷增加，這樣勢必對電子器件有更高的散熱要求，因此有效地解決散熱問題已成為電子設(shè)備必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。針對現(xiàn)代電子設(shè)備所面臨的散熱問題，就自然對流散、強制風(fēng)冷散熱、液體冷卻、熱管、 微槽道冷卻、集成熱路、熱電致冷等常用的電子設(shè)備散熱技術(shù)及某些前沿的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及存在問題分別予以闡述，為電子散熱設(shè)計提供參考價值。隨著現(xiàn)代電子設(shè)備對可靠性要求、性能指標和功率密度等的進一步提高，電子設(shè)備的熱設(shè)計也越來越重要。功率器件是多數(shù)電子設(shè)備中的關(guān)鍵器件，其工作狀態(tài)的好壞直接影響整機可靠性。功率器件尤其是大功率器件發(fā)熱量大，僅靠封裝外

2、殼散熱無法滿足散熱要求。所以需要選擇合理的散熱和冷卻方法，設(shè)計有效的散熱系統(tǒng), 把電子元器件的溫度控制在規(guī)定的數(shù)值之下，在熱源至外部環(huán)境之間提供一條低熱阻通道，以確保熱量能夠順利地散發(fā)出去1。據(jù)統(tǒng)計2 ， 55%的電子設(shè)備失效是由溫度過高引起的?？梢?，電子設(shè)備的主要故障形式為過熱損壞，因此對電子設(shè)備進行有效的散熱是提高產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。傳熱方式散熱的目的是對電子設(shè)備的運行溫度進行控制以保證其工作的穩(wěn)定性和可靠性。電子設(shè)備的高效散熱問題與傳熱學(xué)(包括熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射)和流體力學(xué)(包括質(zhì)量、動量和能量守恒三大定律)等原理的應(yīng)用密切相關(guān)。在實際中，單獨出現(xiàn)是不存在,多為三種方式同時存在于復(fù)雜的換

3、熱過程中。設(shè)計時抓住某種主要的傳熱方式進行計算其他方式可忽略不計算。導(dǎo)熱對于導(dǎo)熱，不同材料所表現(xiàn)的方式不一樣。氣體導(dǎo)熱是由于氣體分子不規(guī)則運動時和相互碰撞的結(jié)果。金屬導(dǎo)體中的導(dǎo)體主要靠自由電子的運動來完成。而非導(dǎo)電固體中的導(dǎo)熱是通過晶格結(jié)構(gòu)的振動來實現(xiàn)的。液體中導(dǎo)熱主要靠彈性波的作用來實現(xiàn)。導(dǎo)熱的基本定律是傅立葉定律。在純導(dǎo)熱過程中，單位時間內(nèi)通過給定面積的熱流量，正比于該垂直于導(dǎo)熱方向的截面面積及器溫升變化率，其計算公式為：Atx式中：為熱流量，W；為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m. )，見表1； A為導(dǎo)熱方向上的截面面t積，m2；t 為 x方向的溫度變化率，/m；負號表示熱量傳遞的方向與溫度梯度的方向

4、相x反。表 1 常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)(W/ m)材料導(dǎo)熱系數(shù)實驗溫度材料導(dǎo)熱系數(shù)實驗溫 度材料導(dǎo)熱系數(shù)實驗溫度銀42018純鐵6718橡膠0.1820純銅3920軟鋼630變壓器油0.1330鋁2000硅鋼3220紙膠版0.1450黃銅12018鎳590石棉紙板0.7420青銅70.520陶瓷1.0520黃臘布0.1638錫620云母0.5850空氣0.0230生鐵500水0.5820玻璃0.8201.2 對流換熱對流換熱是指流體各部分之間發(fā)生相對位移時所引用的熱量傳遞過程。對流換熱可用的牛頓冷卻公式計算：hfA（tw tf ）式中：hf為對流換熱系數(shù)，W/（m 2. ）； A為對流換熱面積，m

5、2； tw熱表面積溫度，；tf為冷卻流體溫度，。1.3 輻射換熱則它輻射換熱是指物體之間相互輻射和吸收過程的總效果。當(dāng)物體的溫度處于平衡時，們之間輻射和吸收的能量相等，處于熱的動平衡狀態(tài)。5.67AF12 12T14 T24100100式中， A為物體輻射換熱面積，m2； F12為角系數(shù)，見表2；12為系統(tǒng)黑度，見表2；1、2分別為物體1 和物體 2 的黑度，見表3； T1,T2分別為物體1 和物體 2 的絕對溫度，T。表 2 角系數(shù)和系統(tǒng)黑度的計算公式（或圖線）換熱表面角系數(shù)的算式（或圖線）系統(tǒng)黑度121 、兩塊平行的平板，器尺寸 遠大于其間的間距FF1221式中F1-2為表面1 對表面 2

6、 的角度系數(shù)；F2-1 為表面2 對表面 1 的角度系數(shù)1, 2 為表面1， 2 的黑度，2、兩塊平行的平板，器寬度（垂直于紙面的尺寸）遠大于其間的距離h12當(dāng) 1 和 2 都大于 0.8 時，12 取用 1 2 的誤差很小，以下同 .3、 無凹面的物體1 處于物體2的包圍中，或與物體2 構(gòu)成一封閉腔2.2 強制風(fēng)冷散熱式中A1、 A2分別為表面1 和 2 的面積當(dāng)A1A2 時1當(dāng)A1A2 時12= 11AF1 2 arctg arctg CC AA2 1arctg 1 A2 C22224、 兩塊相互垂直并有共同邊b的矩形A2c2 1 A2 C2+ ln 2224C 1 A2 A2 C2Cln

7、 1 A2 C222式中 A ,Cb41 A2 1 C 2表 3 常用材料的黑度材料黑度試驗溫度材料黑度試驗溫度拋光的鋁0.0423錫0.0425氧化鋁0.19600鍍鋅鐵皮0.2338拋光的鐵0.05175黃色涂料0.9720氧化鐵0.75100白色琺瑯漆0.9223拋光的黃銅0.1400黑色罩光漆0.8925氧化的黃銅0.62200云母0.7625氧化的紫銅0.7925光滑的玻璃0.9522拋光的銀0.0238石棉紙板0.9724拋光的鎳0.4625黑色橡膠0.96202 電子設(shè)備的主要散熱技術(shù)自然對流散熱自然對流散熱是利用設(shè)備中各個元器件的空隙以及機殼的熱傳導(dǎo)、對流和輻射來達到散熱目的最

8、經(jīng)典、最方便的散熱方法。這種方法適用對溫度控制要求不高, 器件發(fā)熱的熱流密度不大的低功耗電子器件和部件，以及密封或密集組裝的器件不宜采用其他散熱方法的情況。強制風(fēng)冷散熱是依靠風(fēng)扇(常見的有離心式、軸流式、螺旋槳式)等迫使器件周圍空氣流動 , 從而將器件散發(fā)出的熱量帶走而達到散熱目的的方法。資料表明：當(dāng)器件發(fā)熱密度大于0.155W/cm 2時 , 用對流、輻射、 傳導(dǎo)等自然冷卻方式就不能有效地將熱量帶走，必須采用強迫風(fēng)冷。RTT P 。 比 較 兩 式 可得 出強制風(fēng)冷散熱主要是對流換熱。根據(jù)傳熱學(xué)原理，對流換熱過程滿足牛頓冷卻公式P T ， 而 散 熱 器的 散 熱效 果用 熱 阻 RT 表

9、示，RT1/ A因此，提高散熱效果的途徑有：增加散熱器的散熱面積A。可通過加大散熱器尺寸或增加散熱器肋片的數(shù)量來實現(xiàn)，但受到裝置體積和質(zhì)量的限制；(2)提高換熱系數(shù) ，可采用大尺寸和高轉(zhuǎn)速的風(fēng)機提高空氣流動速度，從而提高 。但這需要增加成本，使噪聲增大，壽命下降；(3)通過合理的風(fēng)道設(shè)計。在散熱器前加入擾流片引入紊流，增加局部對流，可以加強換熱，提高散熱效果。實驗證明，合理的風(fēng)道設(shè)計可使熱阻降低10% 20%，溫升降低 510。目前， 幾乎所有的臺式或采用機柜安裝的電子設(shè)備都采用強制風(fēng)冷散熱方式，這種空氣強制對流冷卻的換熱量比自然對流和輻射的要大到10 倍。但由于需要增加風(fēng)機或泵，使得成本增加

10、，噪聲變大，運行可靠性較低。最近有許多科學(xué)家致力于改進強制風(fēng)冷技術(shù)并取得了重大突破。典型的有喬冶亞理工大學(xué)封裝研究中心研制的主要為冷卻單芯片和多芯片組件的微噴冷卻技術(shù)，從許多微孔中噴出氣體到被冷卻表面，介質(zhì)與表面換熱系數(shù)因強烈擾動而保持在很高的水平，它的風(fēng)冷能力超過10W /cm 2。另一種先進技術(shù)為射流冷卻，采用這種技術(shù)的器件芯片熱流密度可達100W /cm 2。射流冷卻時流體沿芯片法向沖擊傳熱表面, 沖擊處的速度和溫度邊界層很薄，因而具有很高的傳熱率來達到冷卻的要求3。液體冷卻強制冷卻除了強制風(fēng)冷外，還有強制液冷，它是對大熱流密度芯片所采用的一種散熱方式， 包括直接冷卻和間接冷卻。直接液體

11、冷卻又稱浸入冷卻，這指液體與電子器件直接接觸，由冷卻劑吸熱并將熱量帶走，如把電子器件直接浸在氟化烴溶液中, 利用它直接冷卻。KishioYoKouchi4等人曾提出一種低冷直接浸入冷卻方法，它可防止氣泡聚集在組件頂端產(chǎn)生氣泡層而影響產(chǎn)熱效果，同時也相應(yīng)提高組件的冷卻效果，直接液冷的實驗效果可達800W /cm 2。由于直接液體冷卻存在熱滯后引起的熱激波現(xiàn)象以及系統(tǒng)維護不方便等原因，現(xiàn)已逐步被間接液體冷卻所取代。間接液體冷卻即是指液體冷卻劑不與電子元件直接接觸，熱量經(jīng)中間媒介或系統(tǒng)從發(fā)熱元件傳遞給液體，中間媒介是指液體冷板及輔助裝置如液冷模塊(LCM)、導(dǎo)熱模塊(TCM )、噴射液冷模塊(CCM

12、)、液冷基板(LCS等，這種液體冷板起支撐和熱交換的)雙重作用。近年來，發(fā)展了一些新型液體冷卻技術(shù)。如液體射流冷卻技術(shù)，采用自由表面射流和浸液射流兩種形式，它的原理與空氣射流冷卻原理基本相同，但冷卻效果更佳。但這種冷卻方式中冷卻液只能噴射在滯止區(qū)，這限制了其應(yīng)用。因此， 發(fā)展了噴淋冷卻技術(shù)。噴淋冷卻液滴是直接作用到更大的區(qū)域，這樣芯片的溫度分布更趨一致，冷卻效果更高，因此被認為是最有效率、最有前景的冷卻方式之一。國外已出現(xiàn)在電子設(shè)備中熱流密度500 W /cm 2的芯片，在極端環(huán)境下其溫度小于75 , 采用的冷卻液是FC -72的液體噴淋冷卻技術(shù)的研究成果 5。另一種液體冷卻方式為相變冷卻，指

13、利用制冷發(fā)生相變時大量吸收熱量的特性，在特定場合下對電子器件進行冷卻。它包括兩種情況：容積沸騰(靜止液體沸騰或池沸騰)和流動沸騰。容積沸騰是利用去離子液體的相變冷卻散熱，傳熱性能比強制風(fēng)冷提高10 倍 50 倍。流動沸騰是指流體在窄通道內(nèi)的對流沸騰傳熱，熱流密度可達100W /cm 2。熱管散熱技術(shù)熱管技術(shù)起源于20 世紀 60 年代。由于它具有極高的導(dǎo)熱性，優(yōu)良的等溫性，熱流密度可變性，流動方向可逆性，恒溫特性及環(huán)境的適應(yīng)性等優(yōu)點，可以滿足電子電氣設(shè)備對散熱裝置緊湊、可靠控制靈活、高散熱效率等要求，因此， 熱管在電子設(shè)備散熱技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用6。熱管的工作原理為：液體工質(zhì)在蒸發(fā)段被熱流

14、加熱蒸發(fā)，其蒸氣經(jīng)過絕熱段流向冷凝段。在冷凝段蒸氣被管外冷流體冷卻放出潛熱，凝結(jié)為液體；積聚在散熱段吸液芯中的凝結(jié)液借助吸液芯的毛細力的作用，返回到加熱段再吸熱蒸發(fā)，如圖 1 所示。 它的整個過程是在沒有外部動力，沒有機械運動零件，沒有噪聲的情況下完成的，設(shè)計簡單有效，傳熱能力大，導(dǎo)熱系數(shù)。 使用時， 其一端可以連接多個發(fā)熱部件，另一端可連接散熱器、機殼其他冷卻器件，散熱效果十分理想。圖 1 熱管工作原理示意圖傳統(tǒng)熱管汽液同道，彎曲將導(dǎo)致散熱性能劇降。脈動熱管是90 年代初出現(xiàn)的一種新型熱管，可以如血脈一般較為隨意的彎曲，在小型設(shè)備的應(yīng)用中有很大的前景7。 Cotter8在1984 年首次提出

15、了微型熱管的概念，作為目前國際發(fā)展最快的熱管技術(shù)，管徑通?？蛇_到1 2mm。微熱管是由密閉容器、毛細結(jié)構(gòu)與工作流體組成。容器抽成真空后，流入適量的工作流體，然后密封,工作流體在容器內(nèi)維持飽和狀態(tài)，一旦容器的一端受熱，工作流體吸熱汽化， 所產(chǎn)生的蒸汽流向容器另一端放熱凝結(jié)，而凝結(jié)液將因毛細作用力或重力回流至原加熱位置。魯祥友9等提出了一種回路熱管，結(jié)構(gòu)如圖2 所示，熱管上端置有冷凝，避免了汽液同道，結(jié)構(gòu)緊湊且散熱性能較好。賈月10等設(shè)計了一種采用隧道式結(jié)構(gòu)的熱管散熱基板，并通過實驗得出熱管傾斜角度對LED 散熱的影響與劉召軍11等的研究結(jié)果一致。平板熱管作為一種新型的熱管，具有高效率、均溫性、重

16、量輕等優(yōu)點。平板熱管一般由兩塊銅皮封裝而成，內(nèi)部置有燒結(jié)而成的銅網(wǎng)作為吸液芯，使用時利用導(dǎo)熱膠粘貼在熱源表面，通過擴大散熱面積加強散熱。Tan12等經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)最佳單熱源位置為平板中心處，多熱源則需要布置在中心軸對稱處以取得最佳散熱效果。Staio Y， MochizukiM 等人應(yīng)用熱管技術(shù)對筆記本電腦的CPU 散熱，并提出了兩種方案：一是鉸鏈式散熱，即首先用一根熱管傳至顯示屏與盒體的連接鉸鏈塊上，另一根熱管將第一根熱管傳至鉸鏈塊上的熱量傳至顯示屏背后的鋁板，其散熱功率可達到10W，另一種是強制對流散熱，即將CPU的熱量傳至一塊鋁板上，鋁板上裝有扁平的微型熱管, 扁平熱管將鋁板的熱量傳遞到帶

17、有很多薄肋片的鋁板散熱器上，在散熱器前裝一個微型風(fēng)扇，將熱量排除到環(huán)境中去，其散熱功率達到12 W。然而，臺式電腦服務(wù)器，工作站中CPU 需要散熱功率為50W 100W， 單個熱管不能達到散熱要求。因此， Fujikura 公司開發(fā)出稱為 “仙人掌”式熱管， 這種熱管的散熱效果與冷風(fēng)的流速有關(guān)，如 CPU功耗為80W，風(fēng)速為2.5m /s 時，其熱阻為0.5 /W。美國 Thermacore 公司推出了一種專門為筆記本電腦設(shè)計的熱管,可用于主頻200MHz 以上芯片的散熱。2 回路熱管結(jié)構(gòu)示意圖2.5 微槽道冷卻微槽群相變冷卻技術(shù)是依靠技術(shù)手段（如設(shè)備結(jié)構(gòu)：微槽等手段）把密閉循環(huán)的冷卻介質(zhì)（若

18、介質(zhì)為水）變?yōu)榧{米數(shù)量級的水膜，大功率電子器件的熱量被蒸氣帶走，具有水膜越薄，遇熱蒸發(fā)能力越強，潛熱交換能力越強的特點，如圖 3 所示。 微槽道散熱器是在很薄的硅片金屬或其他合適的基片上，用光刻、 蝕刻及精確切削等方法加工成截面尺寸僅有幾十到上百微米的槽道，換熱介質(zhì)在這些小槽道中流過與換熱器基體并通過基體與別的換熱介質(zhì)進行換熱。這種散熱器最早是由Tuckerman 和 Pease于 1981 年提出13，并從理論上證明了水冷卻微槽道的散熱能力可達1000W/cm 2。 20 世紀 90 年代以來, 美國的一些大學(xué)如斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)各分校、馬里蘭大學(xué)等和Intel、 HP 等大公司合作，開始

19、了微細尺度下的探索性研究工作 , 尤其微尺度傳熱介質(zhì)的理論和實驗研究。目前， 單層微槽道散熱器已趨于成熟，為進一步減少壓力降，提高芯片溫度均勻性而減少熱應(yīng)力，已對雙層微槽道進行研究。迄今為止，該領(lǐng)域尚無系統(tǒng)的機理與理論研究，許多問題如低雷諾數(shù)下微流體的流動問題及邊界條件及連體動力學(xué)有特性的熱流分析都值得探討。3 微槽群相變冷卻原理圖集成熱路集成熱路的名稱是為對應(yīng)于集成電路，實際上是一個模塊化微機械硅散熱系統(tǒng)，由微通道冷凝器、微泵驅(qū)動、微噴射蒸發(fā)器組成，能有效地解決集成電路及其電路器件的散熱問題。目前，用于電力電子器件（如 IGBT）的大功率集成熱路, 要求散熱能力為600W/cm 2，已有研究

20、者理論計算出散熱能力可達1000W/cm 2。熱電致冷熱電制冷技術(shù)是利用半導(dǎo)體的帕爾貼效應(yīng)進行制冷，成的電偶時，在電偶兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，實現(xiàn)制冷目的14，其工作原理如圖 4 所示。它的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)緊湊，靜音，無運轉(zhuǎn)部件，易控制，不需要制冷劑，制冷量和制冷速度可通過改變電流大小來調(diào)節(jié)。它的缺點是效率較低，成本高，它在恒溫和功率密度大的系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，也可用來冷卻低溫超導(dǎo)電子器件。這種技術(shù)設(shè)計和使用的關(guān)鍵是克服該制冷器冷量小和制冷系數(shù)低的不足，提高該制冷器能效比及其經(jīng)濟性。3 總結(jié)隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品不斷朝高密度封裝與多功能化方向發(fā)展，使得散熱問題越來越棘手。為適應(yīng)

21、電子技術(shù)發(fā)展的需要，電子散熱技術(shù)也取得了很大的進展, 目前微型化和小型化的高效散熱技術(shù)已成為各國研究的重點，并采用熱分析軟件如FLOTHERM(英 )和Icepak(美 )軟件進行計算機輔助熱分析。隨著研究的深入，將出出更多的新型散熱技術(shù)并得到應(yīng)用。參考文獻王麗。大功率電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計研究J.專題技術(shù)與工程應(yīng)用，2009， 61 ( 1) ： 61-63劉一兵。電子設(shè)備散熱技術(shù)研究J.電子工藝技術(shù)，2007， 28( 5) ： 286-289徐超， 何雅玲， 楊衛(wèi)衛(wèi)等?，F(xiàn)代電子器件冷卻方法研究動態(tài)J. 制冷與空調(diào)，2003， 3(4 )：10-13李慶友， 王文， 周根明。 電子元器件散熱方法研究 J. 電子器件，2005， 28(12)： 937- 940黃大革，楊雙根。高熱流密度電子設(shè)備散熱技術(shù) J. 流體機械，2006，34(9)： 71 74姚壽廣，馬哲樹，羅林等。電子電器設(shè)備中高效熱管散熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展J