电子器件温度控制技术

电子器件温度控制技术

王文李庆友

（上海交通大学制冷与低温工程研究所上海 200030）

wenwang@

摘要：随着电子器件的高频、高速以及集成电路技术的迅速发展和MEMS(Micro Electronical Mechanical System)技术的进步，电子元器件的总功率密度大幅度增长而物理尺寸却越来越小，热流密度也随之增加，所以高温的温度环境势必会影响电子元器件的性能，这就要求对其进行更加高效的热控制。因此，有效解决电子元器件的散热问题已成为当前电子元器件和电子设备制造的关键技术。本文针对电子元器件的散热与冷却问题，综述了当前应用研究中不同的散热和冷却方法，并进行了适当的分析。

关键词：散热，冷却，电子器件

1、引言

近几年来特别是微电子机械(MEMS)技术发展十分迅猛，并逐渐拓展于多个应用场合,微小型化已成为当代科技发展的重要方向之一。微型制冷技术既依赖于MEMS技术的发展，也同时是MEMS技术发展的需要。众所周知，集成电路技术的快速发展，导致各种电子器件和产品的体积越来越小，集成器件周围的热流密度越来越大，以计算机CPU为例，其运行过程中产生的热流密度已经达到60-100W/cm2，半导体激光器中甚至达到103 W/cm2数量级。另

︒水平上每增加一方面，电子器件工作的可靠性对温度却十分敏感，器件温度在70-80C

︒，可靠性就会下降5%。较高的温度水平已日益成为制约电子器件性能的瓶颈，而高效1C

电子器件的温度控制目前已经渐渐成为一个研究热点。

电子器件的温度控制（或称热控制）的目的是保证其工作的稳定性和可靠性，其中涉及的传热学、流体力学、材料等多个学科背景。从实施的角度看，电子器件的温度控制一般可分为被动控制和主动控制。

2、被动温控技术

被动控制指利用高导热材料作为热桥与热沉或热源形成一个传热通道，从而使热桥另一端的器件维持在某个设计温度范围内，大多数情况下这里的热沉是依靠自然对流或辐射换热向环境散热的金属框架、具有专门的散热片等；或者根据对象的需要，在局部设计绝热结构以隔绝温度敏感元件与一些热源的主要传递途径；也有根据需要在一些局部设计相变材料作为储能和释能的单元维持温控需要的能量。

2.1 自然散热或冷却方法

自然散热或冷却方法是指不使用任何外部辅助能量的情况下，实现局部发热器件向周围环境散热达到温度控制的目的，这其中通常都包含了导热、对流和辐射三种主要传热方式，其中对流以自然对流方式为主，自然散热或冷却往往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器件和部件，以及密封或密集组装的器件不宜（或不需要）采用其它冷却技术的情况下。有时，也因地制宜利用被控部件自身特点增强与邻近热沉的导热或辐射、通过结构设计强化自然对流，在一定程度上提高系统向环境散热能力。

2.2 辐射换热

在空气稀薄、环境温度较高和较低温度的场合辐射换热则在其中占较大比重。辐射换热的换热量主要与换热体之间的温度水平以及温度差、换热体表面吸收率和发射率、换热体之间的相对位臵关系等。以航天领域电子器件温度控制为例，由于带有电子器件的物体大多处于空气稀薄环境，辐射换热是其主要手段，在热控设计时，需要考虑辐射换热面的表面涂层、

换热面的折叠、遮掩与展现等。

2.3 相变蓄热的应用

物质发生相变时，通常伴随着大量的相变潜热。利用其这一特性，可以在短暂使用或者热流密度很大,而且很难组织与环境有效的热交换的应用场合，通常可以考虑选择一些常压下在某些电子器件工作温度区段进行固液相变的材料，可利用相变材料相变潜热吸收一定时段内运行的电子器件（如移动电话、便携式电脑）产生热量，从而对电子器件进行保护。相变蓄热材料分石蜡类、非石蜡类、无机盐水合物、金属等。

3、主动温控技术

主动温控通常指另外增加动力对某些器件进行温度控制，例如电加热提高温度、风扇造成强制对流换热、依靠各种形式的泵提供驱动的液体冷却系统，以及利用制冷或热泵技术形成局部的热源或热沉进行更强的温度控制等。

3.1 强制散热或冷却方法

强制散热或冷却方法主要是借助于风扇等强迫器件周边空气流动，从而将器件散发出的热量带走的一种方法。这种方法是一种操作简便、收效明显的散热方法。如果部件内元器件之间的空间适合空气流动或适于安装局部散热器，就可尽量使用这种冷却方法。提高这种强迫对流传热能力的方法主要有：增大散热面积（散热片）和在散热表面产生比较大的强迫对流传热系数（紊流器、喷射冲击、静电作用）。增大散热器表面的散热面积来增强电子元器件的散热，在实际工程中得到了非常广泛的应用。工程中主要是采用肋片来扩展散热器表面的散热面积以达到强化传热的目的。肋片式散热器又称气冷式冷板，如：型材、叉指、针状等各种型式，长期、广泛地作为热耗电子器件的延伸表面与所处环境（主要是空气）的换热器件。如普通台式电脑芯片上肋片散热器和风扇等。如果在散热器（热沉）上加工上微通道，这样可以减小热沉热阻，进一步提高散热效果。例如，冷却大功率半导体激光器的微通道热沉[5]。对一些较大功率的电子器件，在现有型材散热器中增加数小片扰流片在散热器表面的流场中引入紊流可以显著提高换热效果。

当然，散热器本身材料的选择跟其散热性能有着直接的关系。目前，散热器的材料主要是用铜或铝，其扩展换热面经折叠鳍/冲压薄鳍等工艺制成，其特点主要是导热系数高、延展性好和性质稳定等。另外，随着MEMS技术发展，硅基加工技术越来越成熟，将散热结构与集成电路制造统一起来也是集成电路设计和制造一个发展方向。此外，在一些特殊场合新材料技术也在不断发展，例如，电绝缘、高导热率的陶瓷材料的开发与制造等。

3.2 液体冷却方法

对电子元器件采用液体冷却的方法进行散热，主要是针对芯片或芯片组件提出的概念。液体冷却包括直接冷却和间接冷却。间接液体冷却法就是液体冷却剂不与电子元件直接接触，而热量经中间媒介或系统（如液冷模块、导热模块、喷射液冷模块、液冷基板等）从发热元件传递给液体。通常需要在这种系统中配臵泵以维持液体的循环，例如在近几年的台式机和笔记本产品中有采用水冷系统散热结构。近年来为了满足不断增长的芯片级液体冷却需求，伴随着MEMS技术的发展，各种微泵技术获得了极大的发展。比较典型的微泵主要是由硅、高分子材料、压电材料等组成的各种振膜式压缩机。

直接液体冷却法（又称浸入冷却）是指液体与电子元件直接接触，由冷却剂吸热并将热量带走，它适用于热耗体积密度很高或那些必须在高温环境下工作且器件与被冷却表面之间的温度梯度又很小的部件以及高度封装或大功率电子器件的2-D或3-D封装。例如，在一些高速计算机里直接把电子器件浸在氟化烃溶液中，利用它进行直接冷却。也有研究者提出了一种振动诱导雾化冷却系统，这是一种液滴冷却技术。其特点是：使用电介质冷却液作为工作介质，通过控制液滴直径和频率来控制冷却功率，可以被用来冷却芯片。