電子設備散熱技術的發(fā)展?

謝遠成 歐中紅

（中國船舶重工集團第七〇九研究所 武漢 430205）

1 引言

當前，熱失效已經(jīng)成為電子設備的主要失效形式之一。據(jù)統(tǒng)計，電子設備的失效有55%是溫度超過允許值而引起的［1］。根據(jù)推測，未來芯片的熱流密度將與太陽表面的熱流密度相當。相關研究表明高溫對計算機芯片性能的影響機理主要是“電子遷移”現(xiàn)象。高強度的電流會使得電子具有較大的動量，而金屬原子也受到電子流動的影響而產(chǎn)生移動，移動的金屬原子就會在原本光滑的金屬導線表面到處流竄，從而造成了其表面凹凸不平，對集成電路內部造成永久性的損害［2］。著名的10℃法則指出［3］：電子器件的可靠性與溫度是密切相關的，當溫度為70℃～80℃時，每上升10℃，其可靠性下降50%。因此，如果不能有效地解決電子器件的散熱問題，對電子設備的整體性能的影響是非常巨大的。如何通過熱設計使電子設備在所處的工作環(huán)境條件下以不超過穩(wěn)定運行要求的最高溫度運行，保證產(chǎn)品正常運行的安全性、長期運行的可靠性，成為了電子設備的可靠性設計中不可忽略的一個重要環(huán)節(jié)。本文以電子設備的散熱技術為主要研究方向，介紹電子設備的散熱設計原理以及散熱技術，分析相關技術在國內外的發(fā)展情況，對電子設備未來的散熱技術的發(fā)展趨勢和發(fā)展需求進行了展望。

2 散熱技術現(xiàn)狀

散熱技術是采取有效措施來散發(fā)或傳導電子設備熱量的技術。熱量一般通過三種方式進行傳遞：熱傳導、熱傳遞以及熱輻射［4］。熱傳導是指相互接觸的物體各部分之間依靠分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動來傳遞熱量的過程。熱對流是指流體流經(jīng)固體時，流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象，它是依靠流體質點的移動進行熱量傳遞的，與流體的流量情況密切相關。輻射傳熱是依靠電磁波輻射實現(xiàn)的熱量傳遞過程，是一種非接觸式傳熱，在真空中也能進行。通過散熱設計以完成熱量的傳導，是電子設備設計的一個重要命題。

以抗惡劣環(huán)境計算機的機箱散熱為例，抗惡劣環(huán)境計算機組成模塊通過金屬蓋板和鎖緊裝置把熱量導至機箱內壁，再通過其他輔助散熱方式將熱量傳導出去?？箰毫迎h(huán)境計算機機箱級散熱系統(tǒng)設計，基本采用可靠性高、成本低、不需要外部驅動裝置的自然冷卻法，因此散熱方式主要為熱傳導和自然對流方式?？箰毫迎h(huán)境計算機的整體散熱主要是按如圖1所示的熱量傳遞路徑來進行設計的［5］。

圖1 抗惡劣環(huán)境計算機熱量傳遞路徑

從圖1中可以看到，抗惡劣環(huán)境計算機的熱量傳遞的路徑主要有兩條，一條是主路徑，另一條是輔路徑。散熱途徑主要通過主路徑實現(xiàn)，主路徑的熱阻主線分布成串聯(lián)狀態(tài)。根據(jù)傳導散熱的原理，散熱的效果取決于熱量傳遞路徑上的熱阻，對路徑上的熱阻進行分析后可以發(fā)現(xiàn)，主路徑中發(fā)熱器件到蓋板的傳遞熱阻比重大，這個方面主要是與加工精度及導熱間隙填料傳導率有關，其中間隙填料傳導系數(shù)低所占的比重比較大，另外電子元器件的設計日趨微型化使換熱面積減小，熱量密集度過高且不易傳遞也是重要的因素，因此可以通過提高加工精度和使用高傳導系數(shù)的間隙填料的方法提高散熱效果。但同時這也會直接造成生產(chǎn)成本的提高，因此在實際的設計過程中還要結合應用對成本的要求進行綜合考慮［6］。

當前，電子元件的集成度越來越大，微型化程度越來越高，因此電子設備的散熱技術也呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展。從散熱技術上看，電子元件散熱技術可分為傳統(tǒng)散熱技術和新型散熱技術兩種。傳統(tǒng)散熱技術的特點是技術成熟，可靠性高，應用的范圍廣，但是散熱效果比較普通。而新型散熱技術則在散熱效率上有了很大的提高，散熱手段先進，散熱效果好，但其技術出現(xiàn)時間較短，有些地方不夠成熟，可靠性還無法得到完全的保證，使用范圍目前還比較小。毫無疑問，后者更有利于提高元件的工作性能，但其可靠性可能低于前者，并且可能需要更多的能耗，經(jīng)濟成本普遍較高。因此在散熱技術的選擇上，需要綜合考慮散熱效果和經(jīng)濟成本問題。常見的電子設備散熱技術主要包括空冷散熱、液冷散熱、熱管散熱，半導體散熱等幾種比較成熟、傳統(tǒng)的散熱方法。

空冷散熱技術主要分為自然對流散熱和強迫對流散熱兩種方式，一般利用空氣流動來散熱，加大電子元件周圍的空氣流動，進而能夠對功率型計算機進行散熱處理。液冷散熱技術的散熱介質主要是以去離子水為主，充分利用水的循環(huán)流動來進行散熱。液冷散熱分為直接液冷散熱（也即浸入式冷卻）和間接液體散熱。直接液體散熱方式對元器件的絕緣性、封裝、可靠性等要求較高。美國3M公司對浸入式冷卻在元器件和燃料電池等領域進行了應用研究，［7］研究表明浸入式冷卻比傳統(tǒng)液體散熱方式更具有優(yōu)勢。熱管散熱技術，1965年Cotter首次提出了較完整的熱管理論，奠定了熱管散熱研究的理論基礎，也成為熱管性能分析和熱管設計的依據(jù)。這種散熱技術的原理主要是利用工質的相變來傳導熱量，在熱導能力方面，它甚至比銅都還要高出幾百倍，遠遠超過常規(guī)散熱手段。由于熱管技術具有極高的導熱性、優(yōu)良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向可逆性、恒溫性、環(huán)境的適應性等優(yōu)良特點，可以滿足電子設備對散熱裝置緊湊、可靠、控制靈活、高散熱效率、不需要維修等要求，因此熱管散熱技術在電子設備領域運用開來。半導體散熱技術，又稱之為熱電制冷技術。該種散熱方式是基于半導體Peltier效應誕生而來，在直流電通過不同種類半導體串聯(lián)組成的電偶時，電偶兩端會吸收、釋放熱量，這就可以達到冷卻的目的。因其制冷片不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源，沒有旋轉部件，不會產(chǎn)生回轉效應，工作時沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易，因此在電子設備散熱設計中被引用。

3 新型散熱技術

傳統(tǒng)散熱方式經(jīng)濟性強，散熱技術成熟、可靠、安全，但其散熱能力相對較差。比如傳統(tǒng)的氣體強迫對流冷卻，已經(jīng)走到了它散熱能力的極限［8］，特別是在計算機運行大型軟件時容易產(chǎn)生熱尖峰現(xiàn)象從而導致死機的現(xiàn)象。且隨著散熱風扇功率的不斷加大，噪聲問題也愈顯突出。當前，新型電子設備集合了高性能，微型化和集成化的三大特點，熱流密度越來越大，常見的散熱手段已經(jīng)不能很好地滿足電子設備的散熱需求。因此，圍繞著電子設備的散熱問題也產(chǎn)生了許多新的觀點和技術。

3.1 液態(tài)金屬散熱技術

金屬一般具有遠高于非金屬材料的熱導率，因而在一些特殊場合具有重要用途。中國科學院理化技術研究所劉靜研究員和周一欣研究員于2002年首次提出一種以低熔點金屬或其合金作為流動工質的計算機芯片冷卻方法［9］。這種散熱技術主要是利用了低熔點的金屬（如Na、K、Li）或其合金（如Pb-Bi）等來構成一種冷卻介質，利用這種介質的高比熱容、大熱導率、低熔點、高沸點且具有流動性等特性來現(xiàn)實給計算機芯片散熱的作用。常見的液態(tài)金屬冷卻劑有鈉鉀合金、鉛鉍合金和鎵銦合金等。作為一種同時兼有高效導熱和對流散熱特性的技術，液態(tài)金屬散熱有望成為新一代比較理想的超高功率密度熱傳輸技術之一，成為未來電子設備散熱的主要使用方法之一。

3.2 微槽群復合相變散熱技術

微槽群復合相變散熱技術是在毛細微槽群復合相變取熱器內表面加工許多槽道，形成微槽群結構，利用微細尺度復合相變強化換熱機理，實現(xiàn)在狹小空間內，對小體積的高熱流密度及大功率器件（如LED燈）的高效率地取熱。這種主要是利用了相變散熱的散熱技術，受到了國內外學者關注和研究。從理論上來看，水冷卻微槽道散熱能力可以達到1000W/cm2，其導熱能力是鋁基板的10000倍，導熱系數(shù)大于106W/（m·℃），超導熱能力強，同時具有體積小，重量輕，無功耗冷卻，可靠性高，成本低等諸多的優(yōu)點。從20世紀90年代開始，美國一些著名的大學開展了相關的實驗，截止到目前，已經(jīng)取得了突破性的研究進展。如國外的矩形和三角形微槽群相變散熱系統(tǒng)已經(jīng)被設計出，國內也出現(xiàn)了開放式的矩形微槽群相變散熱系統(tǒng)，它們都已經(jīng)在理論和實驗方面取得了較大的發(fā)展。目前，有些學者還實現(xiàn)了將它與平板換熱器的結合，而獲得了更加優(yōu)良的散熱效果。

3.3 納米流體散熱技術

納米流體作為一種新型的高效、高傳熱性能的能量輸運工質，可有效提高熱系統(tǒng)的傳熱性能，提高熱系統(tǒng)的高效低阻緊湊等性能指標，滿足熱系統(tǒng)高負荷的傳熱冷卻要求，滿足一些特殊條件（微尺度條件）下的強化傳熱要求，在強化傳熱領域具有十分廣闊的應用前景和潛在的重大經(jīng)濟價值，被稱之為未來的冷卻散熱技術。研究人員在開展納米流體流動與強化傳熱的基礎研究的同時，也在積極探索納米流體技術的應用研究。例如，航天器熱控工質的強化散熱，納米流體工質熱管、納米流體在微通道中的傳熱強化和納米流體強化傳質過程等。近年來，有許多科學研究工作者對納米流體在微型管道中的傳熱性能進行了大量的研究，并取得一定的成果。最近，國外已經(jīng)利用納米流體強化傳熱技術研制出了微管道散熱器高強度制冷系統(tǒng)，顯示出納米流體在在強化換熱領域具有十分廣闊的應用前景［10］，并為解決計算機領域的熱交換系統(tǒng)的高溫元件冷卻問題提供導向作用。

3.4 沖擊射流散熱技術

沖擊射流散熱是一種極其有效的強化傳熱方法，由于其獨特的換熱作用，近年來受到工程界學術界特別重視，成為傳熱學的熱門課題。Robinson［11］等對比研究了浸沒射流和自由射流的換熱特性。將沖擊射流與相變傳熱這兩種強化換熱方式結合到一起，可以處理具有極高熱流密度元器件的散熱問題。MYUNGK S［12］等采用自由射流與沸騰換熱相結合的方式解決熱流密度為1127 W/cm2的散熱；JUNGCHUL L［13］等研究發(fā)現(xiàn)這種換熱方式熱流密度可達2900 W/cm2至7600 W/cm2且散熱體溫度能夠有效控制在25℃～350℃之間。由此可見，該換熱方式換熱能力較高，完全可滿足高熱流密度的散熱需求。但其流程結構的復雜性，沖擊射流的物理本質認識還不夠深刻，一些傳熱機理還有待進一步分析。

3.5 其他散熱技術

除了以上應用較廣泛或是未來重點發(fā)展的技術之外，近年來一些比較獨特或者新型的散熱技術，也是逐步受到國內外研究人員的重視，這些技術在未來可能會成為電子設備散熱技術的主流。軟性導熱硅膠絕緣墊散熱技術，這是一種片狀的材料，易于剪裁，具有良好的導熱能力和絕緣性能，適用于計算機、顯示屏等小型輕薄的電子設備。合成微噴即振動制冷技術，這種CPU散熱技術主要是利用振動的原理，使氣體工質在腔內做吸進或噴出，通過連續(xù)的射流場作用，從而獲得散熱效果。它能將熱邊界層有效地破壞掉，提高換熱系數(shù)，具有著較高的冷卻效率。流化冰冷卻技術，流化冰是一種含有懸浮冰晶離子的固液兩相溶液，流化冰具有較好的流動性能與熱物性，通過冰晶粒子的瞬間相變釋放大量的潛熱實現(xiàn)能量儲存和傳遞。其他諸如熱離子冷卻技術，液態(tài)縫隙填充材料散熱技術等技術也在不斷地發(fā)展與應用之中，未來這些新型技術都可能被應用到高功率、高熱流密度的電子設備散熱系統(tǒng)中來。

4 散熱技術比較

隨著新型散熱技術的增多，新技術從不同的方面推動了電子設備散熱技術的進步與發(fā)展。與傳統(tǒng)散熱技術相比，新型技術還不夠成熟，可靠性還有待驗證，能夠被應用的范圍領域還比較窄，但是其高效的散熱能力是傳統(tǒng)散熱技術無法相比的。以下將幾種散熱技術的優(yōu)點缺點進行對比分析，總結如表1所示。

表1 散熱技術比較分析

5 結語

電子設備散熱技術經(jīng)過多年的發(fā)展，從散熱理論和散熱手段上都有了大幅度的進展。新型散熱技術消除了傳統(tǒng)散熱技術的很多弊端，但仍舊存在很多不足。比如，液態(tài)金屬散熱技術的液態(tài)金屬可能會流出到CPU或者主板上，造成短路。因此，如何采用有效的散熱措施以保證電子設備的穩(wěn)定運行，依舊是工程界與學術界的熱門話題。

未來的電子設備的散熱系統(tǒng)可能會朝著智能化、分級制冷的方向發(fā)展。隨著時下物聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術、智能控制平臺技術的興起與蓬勃發(fā)展，越來越多的領域開始朝著智能化、自動化的方向發(fā)展。對于電子設備的散熱系統(tǒng)而言，原先的散熱系統(tǒng)并沒有一個統(tǒng)一調控，分級制冷的機制。大部分的散熱系統(tǒng)都是根據(jù)設備內部各個部件或者模塊的常見發(fā)熱情況來進行散熱設計，而且設計的散熱方法也不夠靈活，大部分依靠經(jīng)驗值，散熱功效固定，不能針對突發(fā)情況進行調節(jié)，散熱不夠精準，對于局部過熱的情況反應遲鈍。因此，未來的電子設備的散熱系統(tǒng)，應當是這樣一個系統(tǒng)：

1）具有多傳感器，能做到精準監(jiān)測，針對局部異常高溫有快速反應的能力。

2）具備智能調控能力，能因地制宜，因時制宜地實施有效散熱手段。

3）建立分級制冷機制，將多種散熱效果不同的散熱技術，按其散熱能力以及經(jīng)濟成本進行梯隊劃分。然后根據(jù)電子設備的內部具體的發(fā)熱情況，在智能算法的調控下，可以選擇當前情況最優(yōu)的散熱方式來進行散熱，從而實現(xiàn)精準化、經(jīng)濟化、高效化的智能散熱。

可以預見，未來的電子設備的散熱系統(tǒng)必然會是一個高效而智能的監(jiān)控分析系統(tǒng)，使得電子設備工作在一個合適的溫度范圍，同時實現(xiàn)經(jīng)濟與高效的最優(yōu)解。但目前，距離實現(xiàn)這種高效智能的散熱系統(tǒng)，還有很長一段路要走，這仍然需要更多的研究人員進行努力研究。