电子设备的散热问题与新型冷却技术的应用

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Yo k: mip e e P b ih n o p r t n r He s h r u l i g C r o a i ,1 8 . s o 9 8
[]C uR C, i n C rs r 9 h Smo s E, hyl M.E p r na i- R eG x ei tln me ・
2和第 3层次 的散 热依靠 空 气 的 自然 对 流或 强 制 对
流方 式实现 。
是基 于 P h e 应 。 当 电 流通 过 两 种 不 同 材 ei r效
料, 在他们 的联 结 处 会 产 生 温 度 梯 度 。半 导 体 材 料
l 电子 散 热 技 术 的 发 展
近 5 来, 0年 电子散 热技 术 经历 了几 次 重大 的变
v s i t n o n e h n e h r s p o e t lo o o l et ga i fa n a c d t e mo y h n h a o p f rc o — o i g o i h p ro ma c lc r n c d l. Pr c e ig o n fa h g e f r n e ee t o is mo u e o e dn f l t EE S mi e m y p su ,1 9 . h I E e 5 Th r S m o i m 9 9
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电 子设备 的散 热 问题 与新 型冷 却 技 术 的 应 用
上 海 东 华 大 学环 境 科 学 与工 程 学 院 (0 0 1 杨 洪 海 205)
【 摘要】 对现代 电子 设备 所 面临 的散 热 问题 , 针 综合 分析 了各 种 常用 的和潜 在 的 电子冷 却方 法 , 并着 重 阐明 了新 型 热管技 术在 电子 冷却 中的应 用前 景 。 关键词 电子 设备 散 热技 术 热管技 术
热 元件提 出 了革 命性 的挑 战 。通 常要求 其传 热能 力
依靠 重力 作用 , 冷却 液 流过垂 直 和倾 斜表 面 , 让
并蒸 发沸 腾 。虽然 具 有 较 高 的传 热 性 能 , 空 间 限 受
在 5 2 0W , ~ 5 热流 密度 在 1 0w /m 机 械 和 传 ~4 c ,
结 构简单 , 本低 而 且 可 靠 ; 需 泵 或 风 机 , 就 没 成 无 也
型化和集成 化 , 是追 求高 频 率 和高运 算 速 度 , 致 二 导
单位容积 电子 元器件 的发热量大增 。事 实上 , 电子设
有 噪声 和震 动 。其 缺点 是热 阻 大 , 传热 性能 差 。
1 2 强 制对 流冷 却l . 8
v i b e c o i g t c o o is a l l o l e hn lg e .Th p l a i n a d p o p c so a iu e k n so e tp p e h o o isi a n ea p i t n r s e t fv ro s n w i d fh a i et c n l g e n e c o lc r n c d v c o l g a e d s rb d i e a l. e to i e iec o i r e c i e n d t i n s
备 的散热 问题 已成为制约 微 电子工业 发展 的瓶颈 。
统计数 据 表明 , 1 7 从 9 0年 以 来 , 导 体 晶 体 管 半
传热 性能 比 自然对 流提 高 5 1 倍 。但 需 要增 ~ 2 加 泵或风 机 , 成本增 加 , 噪声 变 大 , 运行 可靠 性低 。 1 3 池 沸腾 强 制对流 冷却 . 利用 去 电离子 液 体 的相 变 冷 却 散 热 , 热 性 能 传
多 为直径 2 5 4mm 的 铜水 热 管 。微 型 热 管没 有 .~
[ 1 nrpr .Lq i coigo l to i d vcsb 1 ]Ico eaF P iu o l f e rnc ei y d n ec e
sn l-h s c n e t n Ne Yo k: J h W i y & ige p a e o v ci . o w r on l e
管存 在一 些传 热极 限 , 如毛 细极 限 、 沸腾极 限等 。
毛细泵 回路热 管及 回路 热 管可 以克服 常规 热 管
的一些 极限口 , 类似 与 常规 热 管 , 回路 热 管 主要 依
靠毛细 作用力 来驱 动 工质 在 回路 中 的流 动 。因而 在 地面 和微 重力场应用 时 , 具有更好 的热 力性 能和稳 定 性 。当前 的研究热点 是研制小 型化 的 回路 热管 , 以满
Sons 1 9. , 99
[2 hy l , h , i n . e igmet 1 ]C rs r M C uR C Smo s E J tmpn e n eG R i
b i n fa de e ti o l n n n r o g p . P c a i g a d o l g o i lc rcc o a ti a r w a s a k g n n i M a u a t rn c n l g Pa tA , 9 5, 8 ( ) n f c u i g Te h o o y: r 1 9 1 3 .
大减少 。因此在 相 当长的时间里 , 17 从 90至 19 92年 ,
流 体在 窄通道 内 的对 流沸 腾 传 热 , 流 密度 可 热 达 1 0W/ m。 个 封 闭的 回路包 括 有 窄通 道构 成 0 c 。1
的蒸发 器 , 型泵 , 凝器 及水 组 成 。该 方 法具 有结 微 冷 构 紧凑 及成 本低 的优 点 。
料通 常为 塑料 和 陶 瓷 ;第 2层 次 : 量 从 基 片 传 递 热
通过 喷射 , 成 1 很 薄 的动 力 和热 力边 界 层 。 形 个
散热能力可达 7 c , 0W/ 传热系数 可达 14w/ K。 0 m2
1 6 热 电 冷却[。j . I
到 冷却板 ; 3 次 : 热量 传 给大 气 。传统 上 , 第 层 把 第
热之 间相互 兼容 , 长 期 可 靠 的 运 行 , 积 小 , 构 能 体 结
制, 需配 支撑 系统 , 冷却 能 力不 可控 制 等 。
1 5 液体 喷射制 冷[ ¨ . 1
紧凑 且成本 低廉 j 。。
考察 现 代 电子 设备 的冷 却 问题 , 一般 分 为 3个 层 次l 。第 1 次 : 5 ] 层 热量从 芯 片传 递 到基 片 , 片 材 基
AS E,J un l fHe t rn fr 9 8。1 M o r a o a a se ,1 8 1 0:5 55 8 T 3—3 .
足集成 电子元器件 高散热 负荷及 高热 流密度 的需 要 。 各种 小 型 及 微 型 热 管 已 广 泛 应 用 于 电 子 冷 却_ 1 ¨。如 用 于手 提 电脑 C U 冷 却 的小 型 热 管 , P
采用空气 的 自然对流或强制对流方式就 能满足散热要
求 。从 19 年至今的十多年时间里 , 93 由于 C MOS技 术 的应 用及运行速 度的提 高 , 散热技术 面临着 空前 的挑
战。研究新的冷却技术 已成 为当前 的热点 。
1 1 自然对 流冷却 .
2 热 管 技 术 及 其在 电 子 冷 却 中 的应 用
的 密度 和性 能 飞 速 提 高 , 乎 每 隔 1 几 8个 月 就 翻 1
倍, 基本 上按 照 Mo r 律 的预 测趋 势 在 发展{ ] oe定 。 相应 的 , 电子 元器件 的散 热 量 和散 热 密度 也 随 之 升
高 。近 1 0年来 , MO C S技术 的 引进 , 代 了二 极 管 替
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型热管 ,回路热管及 毛细泵 回路热管 , 动热管等 。 脉 常规 热 管的尺 寸 范 围小 至 几个厘 米 长及 几个 毫 米 的直 径 , 至 1 长 及 几 个厘 米 直 径 。 常规 热 大 0m
[ ]Moft .A rcoi f l to i c mp nns e 8 f J i o l go e rn o o e t.N w aR n ec c
技术 , 使 散 热 密 度 从 0 5 w/ m 更 + c 跃 升 到 1 5 w/
cm 。

比强制对 流 提高 1 ~ 5 0 0倍 。但 受 空 间 限制 及 存 在 临界 热 流通量 问题 , 限制其 在 电子 冷却 中 的应用 。
1 4 膜 状冷 却[ . 1 叩
今后 预 计 将 达 到 4 ~6 c 。 因此 , 散 0 0 W/ m。 对
Elc r n c He tRe v n n w o i g Te hn l g e t o i a mo i g a d Ne Co ln c o o y
Ab t a t I i a e o u e n t ek y p o lms i d r lcr ncd vc o l g。a d rve d al - s r c ' sp p rfc s d o h e rbe n mo en ee to i e iec oi h n n e iwe l a
吸液 芯 。其横 截 面通 常 为 三 角 形 、 形 及 其 它 多 边 矩
形等 , 这些 形状 的截 面 多有锐 角 或尖 角 , 有 毛细 作 具 用, 能吸 附液体 , 并起 到液体 的天 然通 道 作用 。 脉动 热管 是 2 O世 纪 9 O年代 初 出现 的 1 新 型 种 热 管技 术 他 是 把 金 属 毛 细 管 弯 曲 成 蛇 形 结
[O r e Mua a ,nrpr FP i t t icl 1]G i yT A, dw r Ic ea .Lmi ct a ml I o s o ri
h a l x e h n e n n a l u d f m al g o e tu t rd e tf n a c me t i i i i f ln v ra s r cu e u q l i s ra e t a i lts a mir ee to i Ch p T a s c in f u f c h t smu a e c o lcr n c i . rn a t o o
近年来 , 管技 术 已在 电器设 备及 电子 元器件 冷 热 却、 半导 体元件 以及大 规模集 成 电路板 的散 热方 面取
得很多应用成 果 。其 中最具 发展 潜 力的有 : 型及 微 小 ・7 ・ 1
空气冷却 是最 经典 、 方便 的方 法 。其 优 点 是 最
《 技术新 工 艺》・ 新 热加 工技 术与 装备 2 0 0 6年 第 5期
如 B e 出现 使 实 际应 用 成 为 可 能 。它 具 有 结 iT 。的
构 紧凑 , 静音 , 无运 转 部件 , 控制 等优 点 。 易
1 7 流 动 沸腾冷 却[ . 1 明
革 。从 16 至 17 , 于真空管时代 , 90 90年 处 散热 功率大 , 体积也大 。随后 , 晶体 管的出现 , 使散热功 率及体积 大
K e wo d ee to i d vc ,c oig tc n lg ,h a ie y rs lcr nc e ie o l eh oo y e tpp s n
中 图分 类 号 : TK14 文 献 标 识 码 : 2 A
电子及相关产业 的发展有 两大趋势 , 是追求 小 一
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