小论文-PCB散热技术及发展

PCB散热技术及发展

摘要：现代功率电子设备功耗越来越大，高度集成后体积越来越小，对散热的要求也越来越高。电子散热关系到电子设备的可靠性和寿命,是影响当今电子工业发展的一个瓶颈。伴随着电子产业高性能、微型化、集成化的三大发展趋势,散热问题越来越突出。尤其是对于热负荷敏感度较高的CPU 而言,热量在芯片处的累积将严重影响其稳定性和使用寿命。本文章介绍了目前常用于功率电子设备的自然冷却、强迫通风冷却、液体冷却、热管技术、微管道散热器、芯片冷却技术等散热技术，阐述了各种散热技术的原理、特点，并介绍了最新的国内外学者的研究成果。

关键字：风冷；水冷；热管技术; 微通道；芯片冷却技术;制冷芯片

Abstract:Modern power electronics the power consumption increases, smaller and smaller height after integration, heat dissipation requirements are increasingly high.Electronic cooling related to the reliability and life of electronic equipment, is affecting the development of today's electronics industry, a bottleneck.With the high performance of the electronics industry, miniaturization, integration of the three major trends, cooling issues become more and more prominent.Especially for CPUs with high heat load sensitivity, the accumulation of heat at the chip will seriously affect its stability and service life. This article describes the currently used in power electronic equipment, natural cooling, forced air cooling, liquid cooling, heat pipe technology, micro-pipe radiators, chip cooling technology and other cooling technology, described a variety of cooling technology principles, features, and introduced The latest domestic and foreign scholars research results.

Key word:Air-cooled; water-cooled; heat pipe technology; microchannel; chip cooling technology

1 引言

PCB产业大致与晶体管的诞生时期相同，并且与半导体产业并驾齐驱的迅速成长。PCB 的构造或者制造工艺取得了许多发展，引领PCB发展的是IC的迅速技术进步和低价格化，尤其是电子设备的巨大市场需求。PCB的首要任务是从IC引出的高密度线路。由于PCB的技术开发适应了逐年进步的IC高集成化，所以PCB正在向着线路的高密度化和降低成本的方向发展。随之展现出了一些其他问题，比如由于现代功率电子设备正在迅速地向高集成度、

高密度组装、高运行速度方向发展，而作为功率电子设备核心的芯片，工作的主频越来越快，消耗的功耗越来越大，发出的热量也越来越多，发热致使影响整个系统的使用寿命。

因此，为了提高功率电子设备的工作性能和可靠性，对电子设备进行合理的热设计。进行热设计的目的就是利用热传递特性，在充分掌握各种设备热失效参数的前提下，通过优化设计热流通道，降低设备与散热环境之间的热阻，并提供一个温度比较低的散热器，以较少的冷却代价把设备内部有害的热量尽可能释放掉，使设备在其所处环境条件下，保持在可靠性要求所规定的温度范围之内。确保设备可靠、安全的工作。电子设备的热设计一般分为3 个层次，即:系统级热设计，板级热设计，封装级热设计。

1.1系统级热设计

系统级热设计—就是对设备机箱、框架及容器等系统级别的热设计。其主要任务是在保证设备承受外界各种环境、机械应力的前提下，充分保证与外界换热通道的畅通；研究内容是电子设备所处环境的温度对其影响，因为环境温度是板级热分析的重要边界条件，其热设计就是采取各种措施来控制环境温度，使电子设备工作在适宜的环境温度下。在系统级热设计中，可安装风扇进行强制对流，也可以进行液体冷却等措施。

1.2板级热设计

板级热设计—就是对电子模块、散热器、PCB 板的热设计。主要任务是有效地把印制板上的热引导到外部。在考虑热引导的问题上，可以考虑采用高导热率的PCB基材，或利用板上的印制电路线来进行热传导和散热；其中PCB 基材的选择是电子设备封装级设计的重要内容，必须考虑材料的强度、绝缘和导热性能，目前常用的材料有环氧玻璃布、聚酞亚胺等。

1.3封装级热设计

封装级热设计—就是对元器件级别的热设计。其主要内容是减小元器件的发热量，合理的散发元器件的热量，避免热量局部积蓄，降低元器件的温升。在进行元器件安装的时候应该注意元器件的安装方式和布局，根据不同元器件的主要散热方式合理进行元件安装。

采取合理的外部散热措施，显得更加必要和迫切。本文介绍了用于功率电子设备的风冷、水冷、微管道散热器、热管技术等散热技术，阐述了各种散热技术的原理和特点，简要介绍

了最新的国内外学者的研究成果。

2 功率电子常用散热技术

目前功率电子设备常用的散热技术有自然冷却、强迫通风冷却、液体冷却、热管技术、微管道散热器、芯片冷却技术等散热技术。

2.1风冷

风冷主要有自然对流和强迫风冷，利用风冷散热器对电子芯片进行冷却是最简单、最直接、成本最低的散热方式。一般来说，空气冷却或强制风冷技术大多应用在低功耗或中等功耗的器件或电子设备中。目前，采用先进风扇和优化大面积热沉，空气冷却技术的冷却能力可达50w/cm风冷散热器的原理很简单：芯片耗散的热量通过粘结材料传导到金属底座上，再传导到散热片上，通过自然对流或强制对流把热量散发到空气中。如图所示：

对风冷散热器的研究主要集中在它的两大部件上，即：风扇与翅片。冷却电子元器件的气流通常由轴流风扇或贯流风机提供，这种风扇能够使翅片周围的空气形成紊流，增大翅片与周围空气的换热系数。另外，为了有效地进行热传导，使热量尽可能地从一个部件传到另一个部件上，有效地减小散热器与封装之间的接触热阻是必要的，为此在散热器与电子元器件之间填充导热材料以减小热阻。以前填充材料常以硅胶和云母垫片来充当，现在填充材料已经被新型材料所代替[9]。还有采用自循环液体冷却装置，其散热装置热阻也比较小。热管式散热器则充分利用热管中液体的相变换热，极大的提高了导热性能，将热量从密集部位传递开，结合常规的散热器，能较好的解决高功耗器件的散热问题，成为笔记本电脑CPU散热的首选方案。