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电子设备散热技术研究

摘要：随着微电子技术的发展，使得电子器件的热流密度不断增加，这样势必对电子器件有更高的散热要求，因此有效地解决散热问题已成为电子设备必须解决的关键技术。针对现代电子设备所面临的散热问题，就自然对流散、强制风冷散热、液体冷却、热管、微槽道冷却、集成热路、热电致冷等常用的电子设备散热技术及某些前沿的研究现状、发展趋势及存在问题分别予以阐述，为电子散热设计提供参考价值。

随着现代电子设备对可靠性要求、性能指标和功率密度等的进一步提高，电子设备的热设计也越来越重要。功率器件是多数电子设备中的关键器件，其工作状态的好坏直接影响整机可靠性。功率器件尤其是大功率器件发热量大，仅靠封装外壳散热无法满足散热要求。所以需要选择合理的散热和冷却方法，设计有效的散热系统,把电子元器件的温度控制在规定的数值之下，在热源至外部环境之间提供一条低热阻通道，以确保热量能够顺利地散发出去[1]。据统计[2]

，55%的电子设备失效是由温度过高引起的。可见，电子设备的主要故障形式为过热损坏，因此对电子设备进行有效的散热是提高产品可靠性的关键。

1 传热方式

散热的目的是对电子设备的运行温度进行控制以保证其工作的稳定性和可靠性。电子设备的高效散热问题与传热学(包括热传导、对流和热辐射)和流体力学(包括质量、动量和能量守恒三大定律)等原理的应用密切相关。在实际中，单独出现是不存在,多为三种方式同时存在于复杂的换热过程中。设计时抓住某种主要的传热方式进行计算其他方式可忽略不计算。 1.1 导热

对于导热，不同材料所表现的方式不一样。气体导热是由于气体分子不规则运动时和相互碰撞的结果。金属导体中的导体主要靠自由电子的运动来完成。而非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动来实现的。液体中导热主要靠弹性波的作用来实现。导热的基本定律是傅立叶定律。在纯导热过程中，单位时间内通过给定面积的热流量，正比于该垂直于导热方向的截面面积及器温升变化率，其计算公式为：

t A

x

λ∂Φ=-∂ 式中：Φ为热流量，W ；λ为导热系数，W/(m.℃)，见表1；A 为导热方向上的截面面

积，m 2

；

t

x

∂∂为x 方向的温度变化率，℃/m ；负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。

表1 常用材料的导热系数(W/)m λ ℃

1.2 对流换热

对流换热是指流体各部分之间发生相对位移时所引用的热量传递过程。对流换热可用的牛顿冷却公式计算：

w f (t t )

f h A φ=-

式中：h f 为对流换热系数，W/(m 2.℃)；A 为对流换热面积，m 2；t w 热表面积温度，℃；t f 为冷却流体温度，℃。 1.3 辐射换热

辐射换热是指物体之间相互辐射和吸收过程的总效果。当物体的温度处于平衡时，则它们之间辐射和吸收的能量相等，处于热的动平衡状态。

441212125.67100100T T AF φε⎡⎤

⎛⎫⎛⎫=-⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎢⎥⎣⎦

式中，A 为物体辐射换热面积，m 2；F 12为角系数，见表2；12ε为系统黑度，见表2；

12εε、分别为物体1和物体2的黑度，见表3；12,T T 分别为物体1和物体2的绝对温度，T 。

表2 角系数和系统黑度的计算公式（或图线）

1、两块平行的平板，器尺寸远大于其间的间距

式中F 2、两块平行的平板，器宽度（垂直于纸面的尺寸）远大于其间的距离h

式中

4、两块相互垂直并有共同边b 的矩形

()()()()()()

122222222

22222221

11[1

-11 +ln

411 -ln

411A F arctg

arctg

C C A

A arctg

A C c A C A C A A C A C C

A C π-=

+-+++++++++ 式中,a c A C b b

=

=

表3 常用材料的黑度

2 电子设备的主要散热技术

2.1 自然对流散热

自然对流散热是利用设备中各个元器件的空隙以及机壳的热传导、对流和辐射来达到散

热目的最经典、最方便的散热方法。这种方法适用对温度控制要求不高, 器件发热的热流密度不大的低功耗电子器件和部件，以及密封或密集组装的器件不宜采用其他散热方法的情况。 2.2 强制风冷散热

强制风冷散热是依靠风扇(常见的有离心式、轴流式、螺旋桨式)等迫使器件周围空气流动, 从而将器件散发出的热量带走而达到散热目的的方法。资料表明：当器件发热密度大于0.155W/cm 2时, 用对流、辐射、传导等自然冷却方式就不能有效地将热量带走，必须采用强迫风冷。

强制风冷散热主要是对流换热。根据传热学原理，对流换热过程满足牛顿冷却公式

P T α=∆ ，而散热器的散热效果用热阻RT 表示，T R T P =∆ 。比较两式可得出

()1/T R A α=

因此，提高散热效果的途径有：增加散热器的散热面积A 。可通过加大散热器尺寸或增加散热器肋片的数量来实现，但受到装置体积和质量的限制；(2)提高换热系数α，可采用大尺寸和高转速的风机提高空气流动速度，从而提高α。但这需要增加成本，使噪声增大，寿命下降；(3)通过合理的风道设计。在散热器前加入扰流片引入紊流，增加局部对流，可以加强换热，提高散热效果。实验证明，合理的风道设计可使热阻降低10%～20%，温升降低5℃～10℃。

目前，几乎所有的台式或采用机柜安装的电子设备都采用强制风冷散热方式，这种空气强制对流冷却的换热量比自然对流和辐射的要大到10倍。但由于需要增加风机或泵，使得成本增加，噪声变大，运行可靠性较低。最近有许多科学家致力于改进强制风冷技术并取得了重大突破。典型的有乔冶亚理工大学封装研究中心研制的主要为冷却单芯片和多芯片组件的微喷冷却技术，从许多微孔中喷出气体到被冷却表面，介质与表面换热系数因强烈扰动而保持在很高的水平，它的风冷能力超过10W /cm 2。另一种先进技术为射流冷却，采用这种技术的器件芯片热流密度可达100W /cm 2。射流冷却时流体沿芯片法向冲击传热表面, 冲击处的速度和温度边界层很薄，因而具有很高的传热率来达到冷却的要求[3]。 2.3 液体冷却

强制冷却除了强制风冷外，还有强制液冷，它是对大热流密度芯片所采用的一种散热方式，包括直接冷却和间接冷却。直接液体冷却又称浸入冷却，这指液体与电子器件直接接触，由冷却剂吸热并将热量带走，如把电子器件直接浸在氟化烃溶液中, 利用它直接冷却。Kishio YoKouchi [4]等人曾提出一种低冷直接浸入冷却方法，它可防止气泡聚集在组件顶端产生气泡层而影响产热效果，同时也相应提高组件的冷却效果，直接液冷的实验效果可达800W /cm 2。

由于直接液体冷却存在热滞后引起的热激波现象以及系统维护不方便等原因，现已逐步被间接液体冷却所取代。间接液体冷却即是指液体冷却剂不与电子元件直接接触，热量经中间媒介或系统从发热元件传递给液体，中间媒介是指液体冷板及辅助装置如液冷模块(LCM)、导热模块(TCM )、喷射液冷模块(CCM)、液冷基板(LCS)等，这种液体冷板起支撑和热交换的双重作用。

近年来，发展了一些新型液体冷却技术。如液体射流冷却技术，采用自由表面射流和浸液射流两种形式，它的原理与空气射流冷却原理基本相同，但冷却效果更佳。但这种冷却方式中冷却液只能喷射在滞止区，这限制了其应用。因此，发展了喷淋冷却技术。喷淋冷却液滴是直接作用到更大的区域，这样芯片的温度分布更趋一致，冷却效果更高，因此被认为是最有效率、最有前景的冷却方式之一。国外已出现在电子设备中热流密度500 W /cm 2的芯片，在极端环境下其温度小于75 ℃, 采用的冷却液是FC -72的液体喷淋冷却技术的研究成果[5]。

另一种液体冷却方式为相变冷却，指利用制冷发生相变时大量吸收热量的特性，在特定场合下对电子器件进行冷却。它包括两种情况：容积沸腾(静止液体沸腾或池沸腾)和流动沸