電子元器件散熱技術(shù)研究

陳楊

（包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭，014060）

1 電子元器件散熱技術(shù)概述

傳統(tǒng)方式僅僅通過(guò)單向流體對(duì)流形式的散熱技術(shù)以及強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)已無(wú)法有效滿足目前大部分電子元器件對(duì)散熱性能的需求，尤其是風(fēng)冷技術(shù)需應(yīng)用相應(yīng)的擴(kuò)展散熱表面，由于受應(yīng)用環(huán)境的具體約束與限制，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電子元器件進(jìn)行有效散熱，因此，需設(shè)計(jì)研發(fā)性能良好且有效的散熱設(shè)備以滿足高熱流密度的散熱需求的具體環(huán)境。當(dāng)前，電子元器件散熱逐漸變成電子設(shè)備設(shè)計(jì)研發(fā)與運(yùn)行階段至關(guān)重要的關(guān)鍵性技術(shù)[1]。電子元器件散熱主要是對(duì)電子設(shè)備實(shí)際溫度進(jìn)行有效控制，使溫度處于穩(wěn)定與可控范圍。

2 電子元器件散熱技術(shù)

2.1 空氣冷卻技術(shù)

空氣冷卻技術(shù)成為當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛一種的電子冷卻技術(shù)，包含自然對(duì)流空氣冷卻技術(shù)以及強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻技術(shù)。自然對(duì)流空氣冷卻技術(shù)通常應(yīng)用在體積發(fā)熱功率相對(duì)較小的電子元器件，運(yùn)用設(shè)備內(nèi)部元器件之間的空隙與機(jī)殼進(jìn)行熱傳導(dǎo)與對(duì)流以及復(fù)熱從而實(shí)現(xiàn)冷卻的效果。自然對(duì)流運(yùn)用流體實(shí)際密度產(chǎn)生的變化，對(duì)驅(qū)動(dòng)力的需求較小，因此與流動(dòng)路徑內(nèi)較易遭受阻力與障礙的限制影響，從而使得流體實(shí)際流量與冷區(qū)速率相應(yīng)降低。針對(duì)體積發(fā)熱功率相對(duì)較大的電子元器件，通常運(yùn)用強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻技術(shù)。強(qiáng)制散熱或是冷卻的方法主要是運(yùn)用風(fēng)扇燈設(shè)備，使電子元器件臨近區(qū)域的空氣產(chǎn)生強(qiáng)迫性流動(dòng)，從而將電子元器件發(fā)出的熱量被有效帶走，因此，該散熱方法具有操作便捷、效果顯著等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。增強(qiáng)強(qiáng)制對(duì)流空氣冷區(qū)技術(shù)的方法包括擴(kuò)展散熱面積與增強(qiáng)散熱表面所具有的強(qiáng)迫對(duì)流傳熱系數(shù)[2]。針對(duì)功率相對(duì)較大的電子元器件，可以按照航空技術(shù)方面的擾流方法，于散熱器內(nèi)設(shè)置小片擾流片，于散熱器表面位置存在的流場(chǎng)引起紊流，能夠使換熱效果得到明顯增強(qiáng)。

傳熱技術(shù)發(fā)展至今，強(qiáng)制空冷散熱器的研發(fā)設(shè)計(jì)與優(yōu)化相對(duì)較為成熟，通過(guò)與熱管技術(shù)以及空氣射流技術(shù)與熱電制冷技術(shù)的緊密結(jié)合，使空冷技術(shù)具備的冷卻能力得到明顯增強(qiáng)?？諝馍淞鳑_擊技術(shù)作為近些年空氣冷卻技術(shù)方面關(guān)注度較高的研究熱點(diǎn)，使有效增強(qiáng)空氣對(duì)流換熱系數(shù)的重要方法，射流沖擊與傳統(tǒng)形式的強(qiáng)迫風(fēng)冷技術(shù)具有一定的差異性，其可以與局部位置發(fā)揮相對(duì)強(qiáng)勁的對(duì)流換熱效果。有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，射流沖擊所具備的對(duì)流換熱系數(shù)可至900（W·m-2·K-1），相比較于傳統(tǒng)形式的強(qiáng)迫風(fēng)冷技術(shù)而言，高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，與強(qiáng)迫風(fēng)冷換熱系數(shù)相符合[3]。因此，空氣射流沖擊技術(shù)成為冷卻局部位置高功率密度元器件較為理想的方式，同時(shí)也成為對(duì)傳統(tǒng)冷卻方式的創(chuàng)新改革。

2.2 液體冷卻技術(shù)

于20世紀(jì)80年代，液體冷卻技術(shù)逐漸發(fā)展興起，主要是針對(duì)大型電子計(jì)算機(jī)方面的冷卻問(wèn)題。液體冷卻通?？梢詾閱蜗嗤瑯右部梢詾閮上?，氣液相變冷卻通過(guò)運(yùn)用冷卻劑自身的相變潛熱，因此冷卻效果較為顯著。液體冷卻通常包含直接冷卻、液體射流重啟冷卻以及間接冷卻、滴液與噴淋冷卻和氣液相變冷卻等。

2.2.1 直接液體冷卻

直接液體冷卻過(guò)程中，冷卻液體同產(chǎn)生熱量的電子元器件發(fā)生直接接觸從而采取熱交換。熱源可以將熱量直接傳遞至冷卻液，通過(guò)冷卻液的作用經(jīng)熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，因此，流體公職的對(duì)流同相變成為液體同熱源二者之間十分重要的換熱形式，采取直接液體冷卻的具體實(shí)驗(yàn)效果可至800W·cm-2。采用直接液體冷卻的形式務(wù)必對(duì)工質(zhì)同電子元器件二者之間存在的電絕緣性與相容性以及工質(zhì)所具有的熱脹冷縮性和系統(tǒng)的密封性同可維護(hù)性等進(jìn)行充分考慮。由研究人員提出的地愣直接浸入式冷區(qū)法，該種方式不但能夠避免氣泡與組件頂端位置出現(xiàn)聚集從而產(chǎn)生氣泡層，對(duì)產(chǎn)熱效果產(chǎn)生一定影響，同時(shí)還能夠使組件的冷卻效果得到較為明顯的提升[4]。

2.2.2 間接液體冷卻

鑒于直接液體冷卻技術(shù)具有一定的熱滯后產(chǎn)生的熱激波現(xiàn)象與系統(tǒng)維護(hù)存在困難等因素，因此，間接液體冷卻技術(shù)逐漸成為應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)。間接液體冷卻技術(shù)主要是通過(guò)液體冷卻劑同電子元器件不發(fā)生直接接觸，而是運(yùn)用熱傳導(dǎo)方式，將熱量傳遞至換熱器，之后換熱器內(nèi)部冷卻工質(zhì)將熱量有效轉(zhuǎn)移，此類(lèi)換熱器一般亦被稱(chēng)之為冷板。如圖1中冷板技術(shù)作為較為操作簡(jiǎn)便與成本低廉的方法，通過(guò)循環(huán)液體從熱源位置將熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，而后通過(guò)氣液換熱器使得熱量有效散發(fā)。冷板內(nèi)部主要為空芯結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式一般設(shè)置為蜂窩狀或是回旋狀結(jié)構(gòu)，使用液體一般為水、硅脂或是碳氟化合物與乙二醇等。

圖1 冷板冷卻系統(tǒng)

為使冷板所具備的散熱效果得到顯著提升，研究人員運(yùn)用熔點(diǎn)相對(duì)較低的金屬或是其他合金用作冷卻流動(dòng)工質(zhì)，液態(tài)金屬與合金相比較于水與空氣等常規(guī)形式的冷卻介質(zhì)，所具備的導(dǎo)熱率更強(qiáng)，此外，還具備良好的流動(dòng)性，能夠完成對(duì)熱量運(yùn)輸?shù)母哔|(zhì)量高效率。研究人員通過(guò)納米AL2O3/水功能流體用作冷卻介質(zhì)，通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)得知，熱傳性能得到顯著提升。美國(guó)AavidThermalloy公司申請(qǐng)專(zhuān)利之后生產(chǎn)的HiContact系列冷板，主要是講鑲嵌于平板位置的圓管部分進(jìn)行壓扁處理，致使管與板之間可以出處于同一平面內(nèi)，如此冷卻管能夠與元器件之間產(chǎn)生直接接觸，使傳熱效果得到顯著提升[5]。Themacore公司研發(fā)生產(chǎn)的微處理冷板冷卻系統(tǒng)，所具備的散熱能力遠(yuǎn)大于200W，熱流密度可超過(guò)250W·cm-2。

2.2.3 微通道傳熱技術(shù)

對(duì)于微通道而言，主要定義為水力學(xué)之中直徑處于1～1000μm范圍內(nèi)的通道或是管道，具備表面積/體積比相對(duì)較高、熱阻相對(duì)較低、流量相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，使較為有效散熱解決方法。與定向鬼片位置或是于基板位置運(yùn)用各向異性蝕刻等先進(jìn)技術(shù)打造微尺度形式通道，微通道有液體流過(guò)過(guò)程中，通過(guò)蒸發(fā)形式或是直接對(duì)熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)移。其運(yùn)用微尺度換熱所具有的特殊性實(shí)現(xiàn)快速冷卻的效果，成為當(dāng)前研究領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。研究證實(shí)，液體于微通道內(nèi)部進(jìn)行加熱之后，狀態(tài)會(huì)變成核態(tài)沸騰，此過(guò)程中液體狀態(tài)始終保持相對(duì)不平衡，具備較強(qiáng)的換熱能力，通道內(nèi)部壁面位置過(guò)熱度同常規(guī)尺寸情況相比較，相對(duì)較小。研究人員設(shè)計(jì)研發(fā)基于微通道的冷卻系統(tǒng)，運(yùn)用納米流體產(chǎn)生強(qiáng)化沸騰效果從而達(dá)到具有1000W·cm-2熱流密度的冷卻系統(tǒng)。

3 電子元器件散熱技術(shù)的科學(xué)選擇

在進(jìn)行電子元器件散熱器裝置的選用過(guò)程當(dāng)中，一般會(huì)對(duì)電子元器件當(dāng)中的熱量、質(zhì)量以及熱耗的密度情況等方面的因素予以考慮。針對(duì)相同類(lèi)型的散熱方式亦或者類(lèi)型不同的散熱技術(shù)來(lái)說(shuō)，能夠使其融合成一個(gè)整體的散熱技術(shù)實(shí)施方式。同時(shí)結(jié)合電子元器件自身的特征與整個(gè)電子工業(yè)環(huán)境中的實(shí)際需要，保證電子元器件散熱技術(shù)選用的靈活性與針對(duì)性[6]。

當(dāng)選用電子元器件的散熱技術(shù)類(lèi)型的時(shí)候，一般會(huì)對(duì)下述幾類(lèi)常見(jiàn)的影響因素予以考慮：根據(jù)電子元器件具備的相應(yīng)特征，例如：熱效率高與低，熱阻值和質(zhì)量的大小等等。而元器件在售后方面的需要也不容忽視，比如：可維修度、維護(hù)的規(guī)定以及相應(yīng)輔助設(shè)施的穩(wěn)定性情況。當(dāng)然其帶給人體健康方面的危害性情況因素也需要考慮，比如：元器件進(jìn)行散熱的時(shí)候形成的熱量有毒與否、其在電力設(shè)施方面的需求情況等。所以通過(guò)科學(xué)選擇電子元器件的散熱方式，可以延長(zhǎng)電子元器件的使用年限。

4 結(jié)論

當(dāng)電子元器件散熱技術(shù)日漸成熟并形成統(tǒng)一化標(biāo)準(zhǔn)之后，使電子產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性得以提升。從此次論文的闡述與分析當(dāng)中可知，深入探討和分析電子元器件散熱技術(shù)的研究顯得十分關(guān)鍵，具有重要的意義和價(jià)值。本文通過(guò)概述電子元器件的散熱技術(shù)，詳細(xì)說(shuō)明了幾類(lèi)具體的電子元器件散熱技術(shù)，并分析了電子元器件散熱技術(shù)科學(xué)選擇的注意事項(xiàng)。望此次研究的結(jié)果，能得到相關(guān)人員的重視，從中獲取到幫助，有效推動(dòng)電子元器件散熱技術(shù)的進(jìn)步。