电子器件冷却技术_百度文库

第27卷第3期
2005
年8月低温物理学报CHINESEJOURNALOFLOWTEMPERATUREPHYSICSVol.27,No.3Aug.,2005
电子器件冷却技术
陈登科
中国电子科技集团公司第十六研究所,安徽万瑞冷电科技有限公司,合肥230043文章讨论了电子冷却的对象和冷却方法;论述了微通道冷却、新型热管、热喷射、集成热路等新的冷却方法;介绍了介观制冷器、热电子发射制冷开发中的冷却/制冷技术.关键词:电子,冷却
PACC:7120
1关于电子冷却技术
冷却技术涉及到许多领域.在电子领域,冷却技术也已渗透到方方面面,从电子技术一产生就有了冷却问题.电子技术发展突飞猛进,冷却技术也伴随着它,始终起着基础的和保障的作用.
1.1电子冷却的必要性
对电子领域的冷却主要有以下原因:
①带走器件的发热:电子器件对信息(这里“信息”可以是电流、电磁振荡、声、光等任何形式)的处理过程实质上是能量的转化过程.这总会伴随着发热,发热的根源是任何能量转化过程都不可能是100%的效率,不足100%部分的能量全部或大多数变成了热量,这部分热量不能让它累积在电子器件中,必须散发出去.电子器件向更小、更高速、更大功率密度方向发展,这些都意味着更大的热流密度,冷却越来越重要了.
典型的例子如:三极管、功率器件、真空电子器件、IC、激光器等.图1示意的电子器件A把能量或带有能量的信号X1,Y1,...处理成能量或带有能量的信号
X2,Y2,...;Q是散发出的热量;从能量的角度看,应满足以下关系
EX1+EY1+…=EX2+EY2+…+Q(1)
应该指出,Q永远大于0,即永远有热量需要散发.
②降低器件的温度以提高与温度有关
的器件性能.电子器件的工作温度往往对它
的性能有很大影响,热噪声或暗电流是最明
显的一个受温度影响的性能,例如在传感器
件、红外探测器及各种光子探测器、放大器
件、LNA等,高速数字器件中的情形就是这
收稿日期:2004210215图1电子器件中信号与能量的关系
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样等.降温对电子器件起了一个热噪声抑制或隔断的作用.
③冷却有利于提高器件的工作寿命.④某些电子器件的特性只有工作在一定温度以下才会出现.如超导电子器件是基于超导现象的器件,它必须工作在超导转变温度以下.1.2电子冷却对象根据被冷却对象的层次,可分为以下两种:
①对电子整机或系统冷却,使整机或系统工作环境温度处于要求的范围内.这种方式不仅要冷却,有时也可能要加热,对温度的要求既要考虑到机器也要考虑到操作机器的人.所以把它叫作空气调节或者调温或恒温更恰当.它把整个系统当作对象,有时需要针对具体发热点采取调温措施.
②对电子器件或模块冷却.这种方式针对性很强,哪里发热就冷却哪里,哪里需要冷却就冷却哪里.本文重点就谈这种情况并简称为电子冷却.1.3电子冷却的方法
根据子冷却的温度和方法的不同,可以把它分成下表中几类:
冷却方法名称含义
散热
把被冷却对象内部的发热传递到表面,进而传递到热沉、散发到外界.不需加入能量,冷却的动力来自被冷却对象与热沉的温差.
电子整机或系统电子器件、组件或模块.雷达、通讯系统各种电子机箱、各种功率器件或功率模块
制冷
把被冷却对象的温度降到比热沉或环境温度低的温度
.
必须要加入能量才能进行
电子整机或系统电子器件、组件或模块雷达、通讯系统、各种电子机箱、各种功率器件及模块,微电子器件如IC或DSP、光电子器件、真空电子器件
①热电制冷器(半导体制冷器)②蒸汽压缩制冷机③气体制冷机④吸收式和吸附式制冷⑤热电子发射制冷器
低温制冷
把被冷却对象的温度降
到热沉或环境温度低得多的温度.一般指120K以下的温度.
必须要加入较大的能量才能进行电子器件
红外器件、LNA、超导器件
特点
冷却对象冷却对象举例
①气体低温制冷机如斯特林制冷机、GM制冷机、脉管制冷机、节流制冷器②采用低温液体或固体(如LN2LHe等)蒸发进行制冷③辐射制冷器(如太空用辐射制冷器④蒸汽压缩低温制冷机⑤固体制冷器如(绝热去磁制冷器,光学制冷器)
冷却方法
①自然对流散热器机箱散热②强制对流风扇;冷却液体循环③传导导热固体,导热液体、热管.④辐射被冷却对象表面采用高发射率材料,向外辐射散热.
在实际中往往是以上几种方法组合使用.
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3期陈登科:
电子器件冷却技术2572新概念冷却技术
热量传递只有传导、对流和辐射三种手段,在绝大多数散热结构中不是只用一种传热手段,而是三种或两种手段组合使用.现有散热方法已比较成熟,为散热而设计制造的产品非常多,典型的有:各种热沉散热器);各种使传热介质扰动起来以产生对流的扰动源如风扇、泵;各种导热固体或液体等等.对这些产品的合理选用和搭配技术及对被冷却对象的热设计手段已较完善,然而,电子技术发展不断为散热提供新要求,这些要求主要有:
①要求冷却产品体积重量更小,以便适应电子整机或器件体积重量越来越小的趋势;②要求冷却产品更高效,传热更快、传递温差更小,小的散热产品能带走更多的热量;③要求冷却产品使用更方便,包括安装方便、使用方便、使用能耗小、对被冷却对象的适应性好(不产生干扰等)等等.
为此,产生了一批适应新的冷却要求的冷却技术,现论述如下
:
图2电子冷却的能量关系.(a)散热方式Ta>TcQc=Ein-Eout;(b)制冷方式
Ta<TcQc=Ein-Eout+Er
A2被冷对象;Ta2被冷却对象温度;B2散热通道;C2热沉(或环境);Tc2热沉(或环境)的温度;Ein、Eout2进和出被冷却对象的能量;Qc2传给热沉(或环境)的热量;Er2为实现制冷所必须加入的能量
2.1微通道冷却技术
微通道换热器是指在基体上用光刻或其它刻蚀法制成截面尺寸仅有几十到上百微米的槽道,换热介质在这些小槽道中流过与换热器基体并通过基体与别的换热介质进行换热.换热器的基体材料可以是金属、玻璃、硅或其它任何合适的材料.这种换热器的突出优点是:
①换热系数大,换热效果很好.由于几何尺寸极小,流体流过通道时的流动状态与常规换热器有很大区别.雷诺数一般增大一个数量级,因而换热系数明显增大.换热介质与基体之间温差很小.
②体积很小,特别适合电子器件的冷却.
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卷③制造工艺采用电子器件制造工艺,有利于降低成本、批量生产.
④由于换热介质与基体间温差小,槽道间距离短,所以基体本身的导热系数对总的
换热导数影响小,所以,基体导热系数差一些也影响不大,因此可以选用多种材料作
换热器.
图3是一种微型低温制冷器,它的换热器是在玻璃基体上通过光刻方法制成的,尺
寸只有约7×1.5cm.该制冷器可以制冷在77K,用来冷却光电子器件或低温电子器件. 图4是对半导体激光器阵列采用微通道换热器冷却的示意图.微通道使激光器陈列基体的热场发生了很大变化
.
图3使用微通道换热器的低温制冷器图4微通道换热器用于冷却激光器阵列
用于微通道的传热介质一般是经过纯化的空气、氮气、CO2、水等.微通道可使热流密度高达100～150W/cm2,而一般传统换热形式只能达到10～20W/cm2,它们的差距高达50倍,在散掉大热流的同时,表面温度只升高1/50.微通道换热技术用于多芯片组件,激光二极管陈列、雷达固态器件、高速数字器件等冷却.在光电子器件
应用已较为成熟.现在的高功率激光器陈列需把0.001升体积内温度保持在100℃
以下而散掉几百瓦的热,得用庞大的循环水冷却器.
图5所示的微通道换热器散热能力可
μm×达100W/cm2,采用微通道尺寸为50
μ500m=宽×高
有些研究者采用单掩膜方法制作成宽
μμ×高=(5～10m)×(8～10m)的微通道.由
于尺寸更小,其性能更佳.
试验表明,空冷硅微通道热沉的热阻小
于1cm2・K/W,水冷硅热沉的热阻小于0.
1cm2・K/W,这意味着1cm2芯片上散热
150W/cm2时水与芯片温差可维持在15℃
以下.而液氮冷却硅微通道热沉的热阻小于
0.05cm2・K/W.图5微通道换热器外形
在单层微通道换热器趋于成熟的情况下,对双层微通道也进行了研究,后者有利于减少压力降,提高芯片温度均匀性而减少热应力.
预计2005～2006年,高速IC的发热可能会达到200W/cm2,开发能适应此功率的微通道散热器已有了进展.
2.2喷射换热器散热技术
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3期陈登科:
电子器件冷却技术259微喷射换热是指从许多微孔中喷出换热介质到被冷却表面,介质与表面换热系数因强列扰动而保持在很高的水平上,在一定条件下,这种冷却方式的导热系数比铜高1000倍.
图6是一个微喷咀的放大图,可看出扰动的强烈程度
.
图6微喷咀换热器图7集成热路
2.3集成热路
图7是一个由微通道冷凝器、微泵驱动、微喷射蒸发器组成的一个闭环冷却系统,这是种模块化微机械硅散热系统,研究者把它称为“集成热路”对应于集成电路.这种叫法反映了现今从系统上考虑解决IC及其它电子器件的散热与热管理问题,同时又从微观上,从热的原头上解决热问题的思路.
针对电力电子器件(例如IGBT)研究的大功率集成热路,目标要达到散热流密度600W/cm2.有的研究者理论计算的散热能力可达1kW/cm2.
2.4新型热管传热技术
热管已广泛用于电子冷却领域.由于它传热温差小,传热量大,不需泵送传热介质,在电力电子器件,航空电子装置上已成熟使用.
针对微电子器件和多芯片组件体积小特点,开发了一种埋入式微型陶磁热管.在芯片衬底里埋数个微热管,热管内注水,热管中毛细作用的芯是陶磁材料制成的,轴向开槽.制作工艺与现在的芯片衬底制造工艺完全兼容.这种热管导热系数比导热系数很高的金刚石还要好,更比现有的衬底材料导热系数导热系数好得多.
笔记本电脑中的CPU冷却已有相当一
部分用微型热管,一般直径3毫米左右,它
与现有的风扇加热沉结构相比有明显的优
点(见图8),针对电子冷却的特定要求,已开
发了重力附助热管柔性回路热管,平板型电
子冷却热管,微型空气对空气换热管等多
种.
直接埋入芯片硅衬底中的微型热管已
经出现了,研究者把它称作“热播撒器”用来
代替在集成电路中起导热作用的金刚石膜.
图8笔记本电脑用热管散热器这种微型热管的体积已小到热管中蒸汽和
液体界面尺寸跟热管的水力半径可比的程度.已开发了这种微型热管的稳态计算机模型以计算热管的传热量.
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卷
3开发中的制冷技术
3.1介观制冷器
图9所示的是一个所谓介观制冷器,它厚度不足3mm但却包含了普通制冷装置中的压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、控制器等所有部件,采用蒸汽压缩制冷循环,这可制成标准制
冷模块,用于对任何表面式热源的制冷
.
图9介观制冷器(蒸汽压缩循环
)
图10是采用吸收式制冷原理的
制冷器,它也具有普通吸收式制冷器的所有元件.
图11是采用斯特林循环的介观制冷器,它包含压缩机、膨胀机、冷却器和相应的通道.工质总是以气体方式工作,不发生相变.
以上这几种制冷器的压缩机、膨胀机、阀等运动部分都是采用微技术
图10介观制冷器(吸收式循环)
工艺制造,多数情况下采用硅材料制成.它们在MEMS、光电子器件,微电
子器件冷却方面有广泛的用途.
3.2热电子发射制冷技术
固体受到加热内部电子的动能增大到一定程度时,一部分电子会克服逸出功而逸出,利用热电子发射原理制成的制冷器是全固态制冷器,甚至可以制成薄膜形式的制冷器.对膜薄式热电子发射制冷机已进行了大量的
研究,因为它可以直接镀在光电子式微电子器件的表面,制造和使用都极
图11介观制冷器(斯特林循环)为方便.
热电子发射制冷与热电制冷(帕尔帖制冷)不同,后者是利用在不同材料组成的回路中
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3期陈登科:
电子器件冷却技术261通直流电时会在其中接头处有吸热和放热现象的原理制成的.
热电子发射制冷器效率可达长诺效率的60%～70%,而传统制冷方式只有30～50%,热电制冷器只有8%左右.
在热电子发射制冷器中“,制冷工质”是质量电子,阴极和阳极被真空分开,当施加电压时,电子从阴极发射,穿过真空进入阳极.在阴极吸热,在阳极放热(见图12).
热电子发射制冷管理与阴极射线管理是一样的,只是后者须将阴极加热到很高温度才能使用电子克服束发射出来,用的材料是通常功函数材料.而用作制冷时必须使
用低功函数材料,使阴极在温度较低时也能发射电子(见图13)
.
图12图13
4结论
(1)电子冷却技术已得到了很大发展,为电子科技和产业发展奠定了基础;(2)为适应电子技术长足发展,已出现了许多新概念的冷却技术,其中微通道换热,微热管、微喷射、介观制冷器,微电子发射制冷器等已经或正在向成熟,它们对微电子技术的发展起着极为重要的推动作用.我们相信这些技术会更加完善提高,走向实用化和规模使用,同时还会出现更先进的冷却技术,以适应更先进的电子技术.
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262低温物理学报27
卷NEWTECHNOLOGIESOFELECTRONICSCOOLING
CHENDENG2KE
VacreeTechnologiesCo.,Ltd.,Hefei230043
(Received15October,2004)
Thispaperdiscussedtheelectronicsobjectsneedtobecoolingandcoolingmeth2ods.Somenew conceptcoolingmethodsandapparatus,suchasmicro2channel,inte2gratedheatcircuit,heatej ection,havebeenintroduced.
Keywords:Electronics,Cooling
PACC:7120
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