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。

在常见的金属中，银的导热系数最高，但是它的价格着实不菲。

现在常用的散热器材料主要是铝和铜。

锅价格便宜，密度小，好加工，导热陛能良好。

相比较而言，铜的导热系数比铝的大，许多散热能力超强的散热器均采用纯铜打造。

但铜材料价格昂贵、易氧化，加工成本高。

目前出现铜铝复合型散热器，即底部为铜，散热片为铝，具有良好的散热性能和经济性。

散热面积越大的散热器，其热容量越大。

散热器的肋片越多，其散热表面积越大，这样热量可以散发得更快。

不同的肋片高度和肋间距决定了对流面的面积，是影响散热器换热效果的重要因素。

肋片的布局关系到散热器内气流组织、换热系数以及应用特点。

为了提高换热系数，可以采用波纹状肋面制造紊流。

对强迫风冷来讲，选择合适的风扇或鼓风机，加快散热片周围空气的流动，可以改善气流组织，提高对流换热系数，从而改善散热效果。

2.2液冷
它的散热效率高，热传导率为传统风冷方式的20倍以上，且无风冷散热的高噪音，能较好地解决降温和降噪问题。

水冷散热装置大致可分为微型水泵、循环管、吸热盒和散热片四个部分。

水冷散热的原理非常简单，如图2所示。

水冷散热是一个密闭的液体循环装置，通过泵产生的动力，推动密闭系统中的液体循环，将吸热盒吸收的芯片产生的热量，通过液体的循环，带到面积更大的散热装置，进行散热。

冷却后的液体再次回流到吸热设备，如此循环往复。

吸热盒和散热片设计上多采用铜、铝或铜铝复合结构。

在吸热盒的设计中，流体与吸热盒之间的吸热盒壁应尽量薄，在吸热盒平行于加热片的剖面上，冷却液与吸热盒问隔壁面积之比应尽量大，加大传热面积。

为了减小吸热盒与芯片间的接触热阻，一方面尽量提高吸热盒底面表面光洁庞另一方面在接触面之间涂以导热硅脂，安放吸热盒时逐渐与芯片接触，避免接触面之间留存空气。

选择冷却液时，必须对冷却液的热传递能力、冰点和黏度、沸点和分解温度、绝缘性能、腐蚀性、可燃性、毒性、费用等加以考虑。

常用冷却液有水、乙二醇溶液、盐水、硅油等。

2.3热管技术
热管是以相变来强化换热的技术,它利用封闭在真空管内的工作物质,反复进行沸腾或凝结来传送热量。

典型的热管依次可划分为蒸发段、绝热段和冷凝段三部分。

管内装入的液体称为工作液,是热量传递的介质。

首先,蒸发段的工作液从外部吸收热量后沸腾成为气相,在气压差的驱使力作用下进入冷凝段,遇到较冷的管壁便凝结为液体并释放热量;接着,通过热管中心处设置的吸液芯,利用它与工作液的表面张力所产生的毛吸力再将工作液送回到蒸发。

反复进行上述过程,从而不断将蒸发段的热量传送到冷凝段,再通过散热片传递出去。

由于热管是通过相变潜热来传递热量,其导热性能很高,甚至是相同尺寸铜管的几十倍以上,因此适合在狭小空间中高热量的排放,在笔记本电脑中已经得到应用。

2.4微管道散热技术
微通道热沉的概念最早由Tuckerman 和Peace于1981 年提出的,它是由具有高导热系数的材料构成。

根据Riddle 等的研究:流量一定时,矩形通道中流体总的热传导系数与通
道水力直径成反比。

随着通道直径的减小,换热系数相应增加,同时系统的散热面积与体积比也显著增加。

因此尽管体积不断减小,散热能力反而得到极大的提高。

微管道由于具有很高的传热系数，可利用其设计电子芯片内部冷却用的水冷式散热器。

Tuekerman和Pease首次将微管道刻蚀在VLSI(Very Large scaleIntegration)硅芯片的背部并在其顶部装上盖板，冷却液则密封在微管道内，并以此来构造一种新型的微管道散热器。

他们的实验表明，当水的流量为10cm3/s，水的温升为71℃时，冷却热流可高达790W/cm2。

这一冷却能力大大超过了目前已知的常规冷却手段所能达到的水平，因而在芯片冷却应用上，作为高效紧凑型换热器或冷却装置极具优势。

2.5制冷芯片
制冷芯片是由Borealis 公司开发出的产品,它是基于热离子换能效应而实现的。

热离子换能效应早在1900 年即被发现,即当两种不同的导体接触时,一种导体作为冷端释放电子,另一种导体作为热端接受电子。

这样,通过高低能电子的交换从而实现热能的传递。

然而该项技术并未在20 世纪70 年代立刻得到实现,其原因有如下: ①器件只有在两个板间的距离极小时(1～10 μm) 才可能发生热离子换能效应(见图5 左) ,而当时的半导体微加工工艺尚无法满足这一要求; ②即便材料能发生电子发射,所要求的势垒也很高,只有当热端达到2 000 ℃时才可能发生,而许多金属在达到这一温度之前早已溶化,并且极高的工作温度对系统的耗能量要求巨大,不可能有实用的价值。

而制冷芯片在传统热电离子发射的基础上,采用了量子力学隧穿效应的理论,即将两块电极板的间距控制在纳米量级(1～10nm) ,从而有效降低需要克服的势垒,在常温下实现两个大表面之间的电子隧穿(见图5 右) ,加之近年来微加工工艺的极大进步,人们就能很好地解决上述的两个难题。

根据Borealis 公司主页上提供的Cool Chip 的信息可知,制冷芯片在室温下的理论散热通量为5kW/ cm2 ,加之其体积小、轻便、有效且成本低廉,所以应用范围十分广泛。

此外,它可以实现薄膜式的固体冷却,从而能很好地避免芯片上的局部热点。

制冷芯片还能够相互串联组成阵列的形式,具有可组合性,可以适合任何形状外表的散热,并提供更强大的制冷能力。

理论上, 1 in2 ( 6。

45 cm2 ) 大小的CoolChip 装置已经足够供一台冰箱使用,2 in 大小的Cool Chip 等同于一台为起居室散热的空调,而5 in大小的产品就能够为整间房子制冷了,因此, PC 制冷只是Cool Chip 显示自己略显身手的地方。

但是要注意将热端的热量及时散发出去,需要额外使用被动散热,否则就会导致热端温度过高而烧坏制冷元件。

3.结论
(1) 风冷法。

在CPU 上安装散热片以扩大散热面积,并在散热片上安装一个小风扇,让空气强迫对流带走热量。

这种散热方式的优点是简单实用,且价格低廉。

但其缺点在于: ①冷却效率低,最多只能排出CPU 废热的60 % ,因此仅依靠传导和对流的风冷法散热器已经接近了其导热极限; ②随着风扇的功率和转速的增大,产生的噪声也随之增大; ③由于风扇是运动部件,比较容易损坏。

(2) 水冷法。

它是用密封性良好的水槽(一般用铝或铝合金制成) 贴在CPU 表面,然后通以水循环系统,将CPU 发出的热量带走。

这种方法的散热效率比风冷散热高,但它需要较复杂的水冷却系统,并且使用不便,安装麻烦,而且还有漏水和结露的隐患。

(3) 半导体致冷片法。

它是基于帕尔贴效应而实现的,通常采用陶瓷封装的半导体串联方式。

其工作原理实际上是热量转移,当接通直流电时,半导体的冷面温度迅速降低,甚至可降至- 10 ℃,而另一面的温度则迅速上升,从而达到降低表面温度的作用。

半导体致冷的优点是无需任何制冷剂,寿命长,安装简单,可通过控制电流实现高精度的温度控制。

它同样也存在缺点: ①制冷效率低; ②工艺不成熟、价格高; ③容易因冷面温度过低而出现的CPU 结露,从而导致短路的现象。

（4）Cooligy 的产品采用了电力动能泵和微通道散热器,因而拥有许多杰出的性能,诸如散热性能优越(据其官方网页的数据, 散热通量甚至可达1000 W/ cm2 ) ,体积小重量轻,无噪声,性能稳定,可靠性高,寿命长,与芯片的集成性好,成本低等。

然而,减小微通道的宽度不仅可以增加散热能力,同时也会引起压力降升高,增加微通道的压力负载及泵的功率。

此外,微通道的堵塞问题、低雷诺数下微流体的流动问题都是极需深入探讨的。

随着微通道散热器本身的技术进一步完善,这种产品将有更大的发展潜力和市场需求。

（5）Cool Chip（制冷芯片）的冷却性能优于目前几乎所有的散热技术,其应用前景是很乐观的,很可能在许多应用取代现有的各种制冷方式,如广泛地应用到飞机、导弹、火箭引擎、卫星等高科技领域。

伴随着Cool Chip 加工技术的不断成熟,不久的将来可以通过工业手段大批量生产,并有可能处于领先地位。

参考文献
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[4]毕胜, BISheng. 试论印制电路板(PCB)散热方案的优化[J]. 制造业自动化, 2011, 33(4):126-128.。