電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)探析

【摘要】目前電子技術(shù)的發(fā)展速度在不斷的提高，一些大功率和高功率的的元器件得以廣泛的研制出來，而在對(duì)這些電子元器件進(jìn)行合理時(shí)，則需要對(duì)其散熱性進(jìn)行充分的考慮，做好熱設(shè)計(jì)工作，從而確保電子元器件性能的可靠性。本文對(duì)電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)的一般原則進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步對(duì)熱設(shè)計(jì)的主要技術(shù)進(jìn)行了具體的闡述。

【關(guān)鍵詞】電子設(shè)備；散熱；熱設(shè)計(jì)；原則；技術(shù)

1.引言

目前電子元器件開始向小型化、微型化、高集成化和微組裝的方向發(fā)展，這就有效提高了電子設(shè)備的性能，同時(shí)電子設(shè)備的體積也在不斷的向小型化方向發(fā)展，這就給電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)帶來了較大的難度。由于電子設(shè)備是由若干個(gè)電子元器件組成的，而當(dāng)電子設(shè)備處于通電狀況時(shí)，這些電子元器件則會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部的溫度不斷的升高，而當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，則會(huì)使設(shè)備的正常運(yùn)行受到影響。所以對(duì)于電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其散熱設(shè)計(jì)是其中極為關(guān)鍵的部分。據(jù)一項(xiàng)不完全統(tǒng)計(jì)表明，元器件所處環(huán)境溫度每升高10度，則其可靠性則會(huì)降低一半，這充分的說明了溫度的升高對(duì)電子元器件性能的影響。所以為了有效的保證電子元器件能夠安全可靠的工作，確保其使用壽命，則需要加強(qiáng)其熱設(shè)計(jì)的水平，使其具有良好的散熱性。

2.熱設(shè)計(jì)的一般原則

2.1 熱量傳遞的方式

通常情況下熱量傳遞的方式有三種，即傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。當(dāng)兩個(gè)物體直接接觸在一起時(shí)，其熱量會(huì)在直接接觸的物體之間進(jìn)行傳遞，即是熱量通過傳導(dǎo)的方式進(jìn)行傳遞；而對(duì)流是指發(fā)熱物體周圍具有流動(dòng)性的介質(zhì)，熱量通過介質(zhì)的作用進(jìn)行轉(zhuǎn)移，即所說的對(duì)流，由于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的原因不同，所以對(duì)流可分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流兩種。而當(dāng)物體溫度升高時(shí)，其內(nèi)部的能量則會(huì)通過電磁波的方式向外輻射，而輻射出去的能量落在其他物體上，會(huì)有一部分能量被物體吸收，從而轉(zhuǎn)化為熱能。

2.2 散熱方式的選擇

由于電子設(shè)備存在著若干個(gè)電子元器件，其設(shè)備的結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，這樣電子設(shè)備結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱傳遞方式則不可能是一種，許多時(shí)候是三種方式同時(shí)存在，而且相互影響。所以對(duì)于散熱方式的選擇需要根據(jù)電子元器件的參數(shù)和使用環(huán)境來確定。對(duì)于潮濕環(huán)境下使用的電子元器件，則需要在散熱時(shí)采用密閉設(shè)計(jì)。而對(duì)于不需要密閉設(shè)計(jì)的電子設(shè)備，則其散熱方式選擇自然散熱，而對(duì)于發(fā)熱量較大的設(shè)備，則需要安裝一定的加快散熱的設(shè)備或是利用強(qiáng)制風(fēng)冷來進(jìn)行散熱。

2.3 元器件布局

元器件作為電子設(shè)備的重要組成部分，其在設(shè)備內(nèi)部的布局直接影響了電子設(shè)備的散熱效果。這就需要在熱設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)設(shè)備的各熱源發(fā)熱情況、元器件的參數(shù)等進(jìn)行充分的掌握，從而對(duì)設(shè)備的內(nèi)部溫度區(qū)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。而在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于元器件布局所采取的基本原則如下：首先時(shí)將發(fā)熱量較大的元器件放置在腔體上部或是靠近出風(fēng)口處，而散熱性能較差的機(jī)箱下部及進(jìn)風(fēng)口處則放置不發(fā)熱及發(fā)熱量小的元器件；其次，需要將發(fā)熱量大的元器件進(jìn)行分散布置，以達(dá)到溫度的均勻性，同時(shí)一些熱敏元器件要遠(yuǎn)離發(fā)熱量較大的器件，或是利用隔熱材料進(jìn)行隔離。

2.4 結(jié)構(gòu)材料的選擇

電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的材料需要選擇導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料。

2.5 導(dǎo)熱接觸面要求

在確保導(dǎo)熱接觸面在盡量大，而且在保證導(dǎo)熱接觸面處于平整的狀態(tài)下，而且為了確保接觸面緊密接觸，則需要采用涂導(dǎo)熱酯和墊導(dǎo)熱墊，從而避免接觸電阻的產(chǎn)生。

3.熱設(shè)計(jì)主要技術(shù)

3.1 空氣自然對(duì)流冷卻技術(shù)

這種技術(shù)是利用設(shè)備中各個(gè)元器件的空隙以及機(jī)殼的熱傳導(dǎo)、自然對(duì)流和輻射來達(dá)到冷卻目的，是一種安全、可靠和不需外加動(dòng)力的冷卻方式，一般應(yīng)優(yōu)先考慮。但當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度超過0.08W/cm2時(shí)，這種冷卻方法就已經(jīng)不能夠解決它的冷卻問題了。

3.2 空氣強(qiáng)迫對(duì)流冷卻

此種技術(shù)不僅設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，而且在使用上具有較大的便利性，經(jīng)濟(jì)性較好，所以其應(yīng)用較為廣泛。但此種技術(shù)由于空氣比熱容小，而對(duì)噪音限制的開發(fā)部下風(fēng)速還不能太大，所以空氣冷卻能力通常情況下都不會(huì)超過1.0W/cm2。但由于強(qiáng)迫風(fēng)冷的優(yōu)點(diǎn)較多，所以為了提高冷卻能力，對(duì)這種技術(shù)的研究一直沒有間斷過，力求有所突破，從而更好的提高該技術(shù)的冷卻能力。

3.3 中、高功率密度的電子設(shè)備常用強(qiáng)迫氣體或強(qiáng)迫液體冷卻方法

利用強(qiáng)迫氣體和強(qiáng)迫液體來控制熱點(diǎn)溫度，其中最常用的冷卻裝置就是冷板。它屬于一種單相流間接冷卻技術(shù)，可靠性較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高，溫度梯度較小，熱分布均勻，可帶走較大的集中熱負(fù)荷。

3.4 液體冷卻

因?yàn)楦咝Ьo湊，在大熱流度芯片冷卻上得到了廣泛的應(yīng)用，從而成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。液體冷卻可以是單相的，也可以是兩相的，氣液相變的冷卻由于利用了冷卻劑的相變潛熱，所以冷卻效果更好。主要包括直接冷卻或間接冷卻；氣液相變冷卻；液體射流沖擊冷卻；滴液及噴淋冷卻等。

3.5 相變冷卻技術(shù)

此種技術(shù)是利用相變材料的相變過程來實(shí)現(xiàn)降溫的，其不僅具有較高的換熱效率，而且溫度分布較為均勻，具有非常好的可靠性。近年來，隨著研究的深入進(jìn)行，相變冷卻技術(shù)的冷卻效果非常明顯。

3.6 熱電制冷

它的優(yōu)點(diǎn)是無噪聲和震動(dòng)，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，操作維護(hù)方便，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)。它在恒溫和功率密度大的系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)還可以用來冷卻低溫超導(dǎo)電子器件。克服熱電制冷器冷量小和制冷系數(shù)低的不足，提高制冷器能效比及其經(jīng)濟(jì)性，是熱電制冷設(shè)計(jì)和使用的關(guān)鍵。

3.7 隨著熱管技術(shù)的持續(xù)發(fā)展及應(yīng)用，熱管散熱已經(jīng)成為一種很有前途的新型散熱方式

典型的毛細(xì)熱管在工作時(shí)，液體工質(zhì)在蒸發(fā)段被熱流加熱蒸發(fā)，其蒸汽經(jīng)過絕熱段流向冷凝段。在冷凝段蒸汽被管外冷流體冷卻放出潛熱，凝結(jié)為液體；積聚在冷凝段吸液芯中的凝結(jié)液借助吸液芯的毛細(xì)力的作用返回到蒸發(fā)段再吸熱蒸發(fā)，一直如此往復(fù)循環(huán)。熱管傳熱能力高，均溫性好，具有可變換熱流密度的能力，具有良好的恒穩(wěn)特性，而且可以制造成體積很小，重量很輕的產(chǎn)品。

3.8 微通道技術(shù)

在定向硅片上或者在基板上利用各向異性蝕刻等技術(shù)制造出微尺度通道，液體在流過微通道時(shí)通過蒸發(fā)或者直接將熱量帶走。它是利用微尺度換熱的特殊性來達(dá)到高效冷卻的目的，是各國(guó)研究的熱點(diǎn)。研究表明，液體在微通道內(nèi)被加熱會(huì)迅速發(fā)展為核態(tài)沸騰，此時(shí)液體處于一個(gè)高度不平衡狀態(tài)，具有很大的換熱能力，通道壁面過熱度也比常規(guī)尺寸下的情況要小的多。而且實(shí)驗(yàn)證明冷卻液體即使是單相流經(jīng)微通道，其冷卻效果也比常規(guī)尺寸下利用液體核態(tài)沸騰來冷卻時(shí)要好的多。

4.結(jié)束語

我國(guó)頒布了關(guān)于電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這就使熱設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)有了基本的依據(jù)，近年來，對(duì)于熱設(shè)計(jì)技術(shù)的相關(guān)研究不斷的進(jìn)行，使熱技術(shù)不斷的發(fā)展和完善，對(duì)提高電子設(shè)備的可靠性起到極其重要的作用。雖然一些導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料不斷的研制，這些材料一旦能夠達(dá)到普及，那么將會(huì)極大的提高當(dāng)前電子設(shè)備的散熱技術(shù)。

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