高密度組裝電子設(shè)備冷卻技術(shù)應(yīng)用研究*

田 灃，張婭妮，邸蘭萍，張豐華

（中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710065）

高密度組裝電子設(shè)備冷卻技術(shù)應(yīng)用研究*

田 灃，張婭妮，邸蘭萍，張豐華

（中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710065）

隨著現(xiàn)代飛機(jī)性能的不斷提高，電子設(shè)備的性能也大幅提升。與此同時(shí)，電子設(shè)備的組裝密度越來(lái)越高，導(dǎo)致其熱管理問(wèn)題更加突出。針對(duì)高密度組裝電子設(shè)備冷卻散熱技術(shù)面臨的主要問(wèn)題，從傳熱原理、冷卻結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)方法等諸多方面著手，探討了從芯片級(jí)、模塊級(jí)到設(shè)備級(jí)的有效冷卻散熱方式，對(duì)各種冷卻散熱方式的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍進(jìn)行了研究對(duì)比。在傳統(tǒng)冷卻散熱技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)新型冷卻散熱技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)作出了展望，為未來(lái)電子設(shè)備冷卻散熱技術(shù)發(fā)展指明了方向。

高密度組裝；電子設(shè)備；冷卻技術(shù)

1 引言

隨著現(xiàn)代飛機(jī)性能不斷提高，電子設(shè)備成為衡量飛機(jī)性能的重要指標(biāo)。電子設(shè)備高性能發(fā)展趨勢(shì)導(dǎo)致芯片的集成度越來(lái)越高，封裝尺寸越來(lái)越小，熱流密度迅速升高。與此同時(shí)，飛機(jī)性能的提高也要求電子設(shè)備朝著小型化、輕量化的方向發(fā)展。功耗的增加和體積的減小導(dǎo)致電子設(shè)備的組裝密度越來(lái)越高。

組裝密度的提高會(huì)導(dǎo)致芯片溫度增加，溫度是造成芯片故障的一個(gè)重要原因。有關(guān)研究表明：芯片表面溫度達(dá)到70~80 ℃時(shí)，溫度每增加1 ℃，芯片可靠性下降5%。同時(shí)表明，超過(guò)55%的電子設(shè)備的失效形式是由溫度過(guò)高引起的[1]。國(guó)外有人分析一個(gè)典型的芯片發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)芯片功能的晶體管只占芯片體積的百分之一，而98%以上的芯片體積都用于冷卻[2]。因此，冷卻技術(shù)成為高密度組裝電子設(shè)備可靠工作的關(guān)鍵技術(shù)，研究與電子設(shè)備工作環(huán)境相適應(yīng)的冷卻技術(shù)刻不容緩。

2 冷卻技術(shù)面臨的主要問(wèn)題

電子設(shè)備只要工作就會(huì)產(chǎn)生熱量，如何將電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去是冷卻技術(shù)研究的主要目的，其目標(biāo)是控制電子設(shè)備內(nèi)部所有元器件的溫度，使其在給定的環(huán)境條件下不超過(guò)規(guī)定的最高允許溫度。高密度組裝電子設(shè)備熱流密度較高，工作條件較差；由于受到元器件選擇范圍、成本等因素的影響，越來(lái)越多的工業(yè)檔器件被應(yīng)用到惡劣環(huán)境中；受應(yīng)用環(huán)境的限制，冷卻系統(tǒng)也應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單可靠。因此，冷卻技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻。常見(jiàn)的高密度組裝電子設(shè)備冷卻結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高密度組裝電子設(shè)備冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可以看出，元器件產(chǎn)生的熱量通過(guò)模塊殼體傳導(dǎo)至設(shè)備外側(cè)進(jìn)行熱交換，元器件和模塊殼體之間粘接界面材料消除接觸熱阻，傳熱路徑長(zhǎng)，中間環(huán)節(jié)多，有多種因素影響元器件的冷卻散熱效果，冷卻技術(shù)面臨的主要問(wèn)題如下：

（1）元器件產(chǎn)生的熱量靠傳導(dǎo)方式時(shí)，材料的導(dǎo)熱性能具有至關(guān)重要的作用，尋求高性能的導(dǎo)熱材料和合理的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是冷卻設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；

（2）無(wú)論采用何種冷卻方式，元器件產(chǎn)生的熱量需要多個(gè)環(huán)節(jié)才能散失掉，各環(huán)節(jié)的接觸熱阻應(yīng)盡量小，低接觸熱阻設(shè)計(jì)也是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)；

（3）元器件產(chǎn)生的熱量或熱流密度較高時(shí)，傳導(dǎo)散熱無(wú)法滿足要求，就必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷或液體冷卻的方式進(jìn)行散熱，冷卻系統(tǒng)的小型化和高可靠是關(guān)鍵的因素；

（4）在工程設(shè)計(jì)中，選擇允許溫度高的器件可以簡(jiǎn)化冷卻系統(tǒng)，但器件的成本會(huì)增加。選擇工業(yè)檔或民品器件的成本較低，但冷卻系統(tǒng)會(huì)復(fù)雜很多，或只能在環(huán)境條件較好的場(chǎng)合使用。既要滿足正常環(huán)境條件下可靠的工作，還能在應(yīng)急狀態(tài)下確保關(guān)鍵部分任務(wù)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合各方面因素合理選擇。對(duì)于復(fù)雜重要系統(tǒng)還要充分考慮技術(shù)成熟度，提高系統(tǒng)的可靠性。

3 冷卻結(jié)構(gòu)

高密度組裝電子設(shè)備的冷卻結(jié)構(gòu)按照組成可以分為芯片級(jí)、模塊級(jí)、設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)，本文針對(duì)典型電子設(shè)備，結(jié)合當(dāng)前冷卻技術(shù)存在的主要問(wèn)題，分別對(duì)芯片級(jí)、模塊級(jí)、設(shè)備級(jí)冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

3.1芯片冷卻結(jié)構(gòu)

芯片冷卻面臨的主要問(wèn)題是芯片體積小、熱流密度集中，冷卻結(jié)構(gòu)尺寸要求較小，冷卻結(jié)構(gòu)必須保證電氣功能的安全可靠。同時(shí)，芯片級(jí)冷卻的主要目的是將芯片產(chǎn)生的熱量高效地傳遞到外部熱沉進(jìn)行散失。因此，芯片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須保證散熱性能好、散熱體積小、接觸熱阻小。

3.1.1 低熱阻界面材料

元器件產(chǎn)生的熱量首先通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳導(dǎo)到外表面，然后通過(guò)其他方式散發(fā)到環(huán)境中，接觸熱阻是影響芯片熱量傳遞的關(guān)鍵因素之一，在高熱流密度條件下，接觸熱阻尤為重要。熱界面材料TIM（Thermal Interface Materials）是為了有效減小接觸熱阻而開(kāi)發(fā)的一類材料，本質(zhì)是在熱源和其他介質(zhì)中形成低熱阻的熱傳導(dǎo)路徑。

TIM包括導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱硅脂、相變材料、導(dǎo)熱彈性體、導(dǎo)熱膠粘劑和低熔點(diǎn)合金等[3]。導(dǎo)熱系數(shù)是衡量TIM的主要參數(shù)，應(yīng)盡可能選擇導(dǎo)熱系數(shù)較高的TIM；越軟的TIM往往能夠獲得越緊密的表面接觸，有助于消除有效熱傳導(dǎo)的空隙；越薄的TIM在其厚度方向上的溫差相對(duì)較小，但必須同時(shí)考慮芯片、焊接、機(jī)加的公差要求；平滑的接觸表面能夠使得TIM兩側(cè)的接觸改良，使界面熱阻最小化。

TIM廣泛應(yīng)用在航空、航天工程領(lǐng)域，比較普遍的熱導(dǎo)率在3~5 W（m·K）-1左右，少數(shù)理想的材料如潤(rùn)滑脂填充金剛石經(jīng)測(cè)試有效熱導(dǎo)率超過(guò)20 W（m·K）-1，還有一種納米結(jié)構(gòu)的金屬薄片，有效熱導(dǎo)率甚至高達(dá)60 W（m·K）-1以上[4]。

3.1.2 微通道冷卻

在芯片冷卻技術(shù)中，微通道是一種廣泛應(yīng)用的強(qiáng)化冷卻換熱結(jié)構(gòu)，在相同面積的芯片上，通道尺寸越小、數(shù)量越多，總面積越大，單位時(shí)間內(nèi)換熱量越多。因此，微通道冷卻能力大大超過(guò)常規(guī)冷卻手段所能達(dá)到的水平，其尺寸也可以從數(shù)微米到數(shù)毫米之間變化。

硅具有極佳的導(dǎo)熱系數(shù)，單晶硅對(duì)一般流體甚至是具有腐蝕性的流體都有良好的抗腐蝕性[5]。通過(guò)各向異性蝕刻將微通道制作在硅器件內(nèi)部，采用靜電鍵合技術(shù)將多片硅質(zhì)流道交互式堆棧鍵合，用一個(gè)玻璃片在底部將溝槽密封，產(chǎn)生高寬比大的微小通道以及極為緊密的通道排列，來(lái)達(dá)到提高換熱面積的效果。泵驅(qū)動(dòng)冷卻液流過(guò)芯片背部的微通道與芯片進(jìn)行熱交換，帶走芯片上的熱量并散失到外界環(huán)境中。

為了解決個(gè)別大功耗處理器的散熱問(wèn)題，微通道冷卻技術(shù)首先在地面大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。IBM、NEC、DEC等公司在其研制的計(jì)算機(jī)中均采用了MCM和微通道冷卻系統(tǒng)結(jié)合的冷卻組件[4]。

3.1.3 微噴霧冷卻

噴霧冷卻是相變與對(duì)流換熱的結(jié)合，它通過(guò)噴嘴把冷卻介質(zhì)霧化后噴向需冷卻的電子元器件表面或?qū)峤M件上，冷卻介質(zhì)吸收熱量汽化后在專用的熱交換器以及儲(chǔ)液裝置內(nèi)冷凝匯集后循環(huán)使用。相對(duì)微通道而言，噴霧冷卻充分利用了液體的汽化潛熱，冷卻散熱效果好。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，噴嘴尺寸也得到了有效的控制，使得噴霧冷卻更加適合芯片級(jí)冷卻換熱[6]。

噴霧冷卻的核心在于噴嘴，根據(jù)不同芯片冷卻尺寸的需要，噴嘴分組堆疊形成噴嘴列，流體通過(guò)噴嘴成為高速流，雷諾數(shù)增大，換熱系數(shù)也隨之增加。較高的換熱系數(shù)、自由的構(gòu)形和控制方式，使得噴霧冷卻在芯片級(jí)冷卻方面具有突出的優(yōu)越性。

微噴霧冷卻主要用于軍事領(lǐng)域以提高熱管理，壓縮系統(tǒng)體積，減輕重量。UCLA研究機(jī)構(gòu)針對(duì)射頻功率發(fā)生器的微噴霧冷卻裝置，最大熱流密度超過(guò)160 W·cm-2[4]。

3.2模塊冷卻結(jié)構(gòu)

模塊作為芯片冷卻的第一級(jí)熱沉，提供將芯片熱量傳遞到外部環(huán)境的有效通路。因此，模塊冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須保證自身散熱性能較高、傳熱熱阻較小、模塊結(jié)構(gòu)較優(yōu)。

3.2.1 APG材料

石墨作為一種業(yè)界公認(rèn)的導(dǎo)熱性能很好的材料，其熱導(dǎo)率最高可以達(dá)到1 700 W（m·℃）-1，是鋁合金材料導(dǎo)熱系數(shù)的10倍左右。但是石墨強(qiáng)度小，受力后容易斷裂；同時(shí)，石墨脆性大，受到振動(dòng)和沖擊后容易破碎。因此，將石墨薄片固定在鋁合金框架內(nèi)，然后再用一塊鋁板將石墨封裝起來(lái)，最后用熱靜壓工藝將石墨緊緊壓在兩層鋁板之間，使得它們能夠完全結(jié)合在一起，這種石墨和鋁的復(fù)合材料稱為APG（Annealed Pyrolytic Graphite）材料。

APG材料利用鋁合金材料解決了石墨的脆性和強(qiáng)度問(wèn)題，同時(shí)發(fā)揮了石墨導(dǎo)熱性能高的優(yōu)點(diǎn)，將APG材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁合金材料作為模塊殼體的材料能夠大幅提高模塊的換熱性能，降低模塊上元器件溫度。

美國(guó)K-T等多家公司經(jīng)過(guò)多年的研究，已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出多種APG材料，并逐漸向各種飛機(jī)上推廣使用。

3.2.2 平板熱管

平板熱管是一種特殊的熱管，其形狀非常有利于對(duì)集中熱源進(jìn)行熱擴(kuò)散，適合作為模塊結(jié)構(gòu)件使用。平板熱管是一個(gè)內(nèi)壁具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)的真空腔體并充滿工質(zhì)，熱量由熱源傳導(dǎo)至蒸發(fā)區(qū)時(shí)，腔體內(nèi)的工質(zhì)受熱產(chǎn)生氣化現(xiàn)象，吸收熱量并且體積迅速膨脹，氣相工質(zhì)很快充滿整個(gè)腔體，當(dāng)氣相工質(zhì)接觸到一個(gè)比較冷的區(qū)域時(shí)產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象，釋放出蒸發(fā)時(shí)累積的熱，凝結(jié)后的液相工質(zhì)在毛細(xì)作用下回到蒸發(fā)熱源處，如此循環(huán)帶走模塊產(chǎn)生的熱量。

平板熱管能夠有效解決散熱和減小溫度梯度，通過(guò)降低熱阻而達(dá)到高熱導(dǎo)率，保證熱量快速及時(shí)傳遞，用熱管基板代替金屬基板作為模塊結(jié)構(gòu)件能夠大大強(qiáng)化基板的熱擴(kuò)散，熱板的等溫性也有益于降低熱阻，為模塊散熱提供更加有利的條件。平板熱管只有當(dāng)熱源較為集中時(shí)，效果才比較明顯。

美國(guó)Thermacore、日本Fujikura是平板熱管生產(chǎn)的主要領(lǐng)導(dǎo)廠商，國(guó)內(nèi)的奇雙、雙鴻等公司亦有研發(fā)平板熱管，其毛細(xì)結(jié)構(gòu)都是以銅粉燒結(jié)方式制作。平板熱管在芯片三維堆疊封裝中已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用并取得初步成效。

3.2.3 雙鎖緊結(jié)構(gòu)

芯片產(chǎn)生的熱量首先傳導(dǎo)到模塊上，通過(guò)模塊鎖緊裝置傳導(dǎo)至設(shè)備進(jìn)行散熱，傳統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)采用單鎖緊結(jié)構(gòu)，即模塊兩側(cè)殼體上的熱量均傳導(dǎo)至一側(cè)殼體，通過(guò)殼體上的單鎖緊裝置傳導(dǎo)至設(shè)備進(jìn)行冷卻散熱。對(duì)于另一側(cè)殼體而言，傳導(dǎo)路徑相對(duì)較長(zhǎng)，傳熱熱阻較大，散熱效果較差。雙鎖緊結(jié)構(gòu)針對(duì)上述問(wèn)題，在模塊兩側(cè)殼體分別設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)，安裝雙鎖緊裝置。每一側(cè)殼體上產(chǎn)生的熱量通過(guò)自身的鎖緊裝置直接傳導(dǎo)至設(shè)備進(jìn)行散失，傳熱路徑縮短，傳熱熱阻減小，模塊上元器件溫度降低。

采用雙鎖緊結(jié)構(gòu)以后，模塊上元器件溫度普遍能夠降低10 ℃左右，對(duì)于模塊散熱結(jié)構(gòu)而言效果較好。但是，雙鎖緊會(huì)帶來(lái)模塊定位和插拔的問(wèn)題，需要根據(jù)實(shí)際情況最終確定合適的模塊冷卻結(jié)構(gòu)方案。

雙鎖緊結(jié)構(gòu)在某機(jī)載電子設(shè)備中成功應(yīng)用，有效地增強(qiáng)了設(shè)備換熱性能，為其在航空、航天領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

3.3設(shè)備冷卻結(jié)構(gòu)

設(shè)備作為芯片冷卻的最終熱沉，必須保證能夠?qū)⑿酒a(chǎn)生并通過(guò)模塊傳遞出來(lái)的熱量最大限度地散失到外部環(huán)境中去。因此，設(shè)備冷卻結(jié)構(gòu)必須自身散熱性能較強(qiáng)，散熱面積較大，散熱效率較高。

3.3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于采取自然對(duì)流冷卻散熱的電子設(shè)備而言，如何協(xié)調(diào)熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)提升其整體散熱效率從而有效降低芯片工作溫度，是自然散熱電子設(shè)備的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)包含對(duì)設(shè)備外形、布局、材料、厚度等各個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。以設(shè)備外部散熱翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，在限定的外形尺寸條件下，翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)排布存在一個(gè)最優(yōu)的值，即最佳的翅片高度、翅片厚度以及翅片間隙。同時(shí)，包含一種最合理的翅片結(jié)構(gòu)型式及排布方向。最佳的翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠保證冷卻空氣與設(shè)備產(chǎn)生充分的熱交換，換熱面積最大，換熱效率最高，流阻阻力相對(duì)較小，設(shè)備外部表面溫度均勻，設(shè)備內(nèi)部元器件溫度最低。

3.3.2 系統(tǒng)匹配性設(shè)計(jì)

對(duì)于采取強(qiáng)迫對(duì)流冷卻散熱的電子設(shè)備而言，冷卻介質(zhì)流經(jīng)電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生壓力損失。以強(qiáng)迫風(fēng)冷電子設(shè)備為例，壓力損失與風(fēng)量呈拋物線關(guān)系，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的靜壓必須能夠克服上述壓力損失。因此系統(tǒng)匹配性設(shè)計(jì)對(duì)于強(qiáng)迫對(duì)流冷卻的電子設(shè)備而言至關(guān)重要。系統(tǒng)匹配性設(shè)計(jì)包含風(fēng)機(jī)選型、風(fēng)機(jī)安裝、風(fēng)道設(shè)計(jì)等。由于安裝結(jié)構(gòu)限制，風(fēng)機(jī)特性曲線可能發(fā)生變化，風(fēng)機(jī)特性曲線與阻力特性曲線的交點(diǎn)即為風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)。如果工況點(diǎn)顯示的風(fēng)量不滿足設(shè)計(jì)要求，則需要選擇其他型號(hào)的風(fēng)機(jī)來(lái)匹配，或設(shè)法降低系統(tǒng)阻力，增加風(fēng)量。

3.3.3 流量分配設(shè)計(jì)

對(duì)于采取強(qiáng)迫對(duì)流冷卻散熱的電子設(shè)備而言，冷卻介質(zhì)流量分配是影響電子設(shè)備冷卻散熱效果的關(guān)鍵因素。以強(qiáng)迫液體冷卻電子設(shè)備為例，不同模塊的功耗不同，需要的冷卻液流量也不同，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施控制不同模塊通道的流動(dòng)阻力，保證對(duì)不同功耗的模塊分配與其功耗相匹配的冷卻液流量，最大限度地利用液體的散熱能力，保證設(shè)備內(nèi)部溫度均勻，流動(dòng)阻力最小。

4 冷卻技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

冷卻問(wèn)題已經(jīng)成為制約電子設(shè)備發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，伴隨著高密度組裝技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備冷卻技術(shù)勢(shì)必將面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的冷卻散熱技術(shù)在工程領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的應(yīng)用基礎(chǔ)，有其獨(dú)特的優(yōu)越性。新型高性能冷卻散熱技術(shù)也呈現(xiàn)出快速發(fā)展的勢(shì)頭，為未來(lái)電子設(shè)備冷卻散熱技術(shù)發(fā)展指明了方向。

4.1挖掘傳統(tǒng)散熱技術(shù)潛力

由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)以及金屬熱導(dǎo)率等自身物理特性的限制，使得在很多場(chǎng)合，傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)都不能達(dá)到要求的散熱性能。但是，傳統(tǒng)的冷卻散熱技術(shù)通常簡(jiǎn)單可靠，易于實(shí)現(xiàn)。因此，利用壓電風(fēng)扇、合成噴射冷卻、納米閃電和低熔點(diǎn)液體金屬等一系列創(chuàng)新技術(shù)擴(kuò)大空氣冷卻或金屬傳導(dǎo)冷卻的使用范圍，突破傳統(tǒng)冷卻技術(shù)的瓶頸，提高其散熱能力是未來(lái)電子設(shè)備冷卻散熱技術(shù)的一個(gè)重要方向[4]。

壓電風(fēng)扇是最近出現(xiàn)的功率低、體積小、噪聲低的固態(tài)裝置，可作為多種便攜電子包括筆記本電腦和手機(jī)應(yīng)用的熱管理方法；GIT首次提出采用循環(huán)微噴射器制作“合成噴射”的研究方法，且以新型射流技術(shù)的方式將其商業(yè)化；普杜的研究者們致力于“納米閃電”的研究工作，Thorrn公司正在將該技術(shù)商業(yè)化；知名顯卡生產(chǎn)廠商Sapphire公司在其圖像顯示卡上采用了液態(tài)金屬散熱，充分證實(shí)了此項(xiàng)技術(shù)的現(xiàn)實(shí)可行性和實(shí)用價(jià)值[7]。

4.2三維封裝熱管理技術(shù)

目前的熱管理解決方案通常指間接冷卻，熱量在散失到空氣之前必須先從元器件傳導(dǎo)出去，傳熱路徑上各個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻導(dǎo)致間接冷卻解決方案不能滿足當(dāng)今復(fù)雜電子元器件的溫升要求，同時(shí)導(dǎo)致電子設(shè)備體積和重量持續(xù)增加。通過(guò)嵌入式智能化熱管理的方法，在早期電子設(shè)計(jì)階段，以微通道設(shè)計(jì)或蒸發(fā)冷卻的形式將嵌入式冷卻直接引入芯片、基板進(jìn)行三維封裝，突破間接冷卻的局限性。

近年來(lái)，美國(guó)國(guó)防高級(jí)計(jì)劃研究局在三維封裝熱管理技術(shù)方面開(kāi)展了深入的研究，在其芯片強(qiáng)化冷卻計(jì)劃中提出通過(guò)微通道、微孔等嵌入芯片的設(shè)計(jì)和制造來(lái)研究嵌入式熱管理并取得了顯著的成效[4]。

4.3多學(xué)科集成優(yōu)化技術(shù)

電子設(shè)備不僅要滿足散熱要求，還要綜合考慮強(qiáng)度、電磁屏蔽、防護(hù)、小型化、外場(chǎng)維護(hù)等方面的要求，傳統(tǒng)的單學(xué)科優(yōu)化已不能滿足工程技術(shù)發(fā)展的需要。多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)（Multidisciplinary Design Optimization，簡(jiǎn)稱MDO）是有效提升電子設(shè)備綜合設(shè)計(jì)水平的關(guān)鍵技術(shù)之一，未來(lái)電子設(shè)備新型冷卻散熱技術(shù)必須采用多學(xué)科集成優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)利用多個(gè)相關(guān)學(xué)科工具對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的各個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，最大限度地保證冷卻散熱效果，縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約研制成本。

目前，國(guó)外的許多機(jī)構(gòu)都在從事MDO的研究，美國(guó)NASA蘭利研究中心、美國(guó)斯坦福大學(xué)、紐約州立大學(xué)等。而且，世界上已有多家公司提供多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，如美國(guó)Engineous Software公司開(kāi)發(fā)的Isight軟件、Phoenix Integration公司開(kāi)發(fā)的Model Center軟件；國(guó)內(nèi)主要在幾個(gè)大學(xué)中進(jìn)行預(yù)研性工作，如南京航空航天大學(xué)進(jìn)行的飛機(jī)方面的MDO研究、國(guó)防科技大學(xué)的分布式協(xié)同進(jìn)化MDO算法研究，北京航空航天大學(xué)較早提出了采用正交設(shè)計(jì)解決飛行器方案設(shè)計(jì)MDO問(wèn)題[8]等。

5 結(jié)論

隨著系統(tǒng)需求的不斷提高，電子設(shè)備的性能也將大幅提升，設(shè)備的功耗也呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。與此同時(shí)，系統(tǒng)要求設(shè)備的體積盡量縮小。因此，電子設(shè)備的高密度組裝將是一個(gè)永恒的主題，冷卻技術(shù)面臨的問(wèn)題也將更加突出，需要進(jìn)行更加深入的研究。

[1] 劉一兵. 電子設(shè)備散熱技術(shù)研究[J]. 電子工藝技術(shù)，2007，5（28）: 286-289.

[2] Lasance C. Technical Data column [Z]. Electronics Cooling, 1997.

[3] David Hirschi. 選擇合適的熱界面材料[J]. 封裝與測(cè)試，2008，8: 38-40.

[4] Clemens J M Lasance. Advances in High-Performance Cooling For Electronics [J]. Cooling Methods, 2005,（11）.

[5] 劉宇，高洪巖. 淺談電子芯片冷卻技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 科技論壇，2010，17: 17.

[6] 朱冬生，孫紀(jì)遠(yuǎn)，宋印璽，等. 噴霧冷卻技術(shù)綜述及納米流體噴霧應(yīng)用前景[J]. 化工進(jìn)展，2003，3（28）: 368-373.

[7] 劉靜，周一欣. 芯片強(qiáng)化散熱研究新領(lǐng)域——低熔點(diǎn)液體金屬散熱技術(shù)的提出與發(fā)展[J]. 電子機(jī)械工程，2006，6（22）: 9-12.

[8] 聶勇軍，廖啟征. 多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)在工程機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用展望[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械，2011，（8）: 8-11.

Application Research of Cooling Technique on High Density Assembly Electronic Equipment

TIAN Feng, ZHANG Ya’ni, DI Lanping, ZHANG Fenghua
（Aeronautical Computing Technique Research Institute,Xi’an710065,China）

Assembly density of electronic equipment becomes higher and higher as advancing of airplane performance which induces outstanding problems of thermal management. Aiming at cooling problems which high-density-assembly electronic equipment faced, ef fi cient cooling methods from chip, module to equipment are discussed in the paper. Basic principles, merits and drawbacks as well as scope of application about all cooling methods mentioned above are studied and compared. Finally, expectation about future cooling technique development trend of electronic equipment is provided.

high density assembly; electronic equipment; cooling technique

TN305.94

A

1681-1070（2014）11-0001-04

2014-08-07

航空科學(xué)基金（20100231）