電子器件散熱技術(shù)現(xiàn)狀及進展

隨著電子及通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，高性能芯片和集成電路的使用越來越廣泛。電子器件芯片的功率不斷增大，而體積卻逐漸縮小，并且大多數(shù)電子芯片的待機發(fā)熱量低而運行時發(fā)熱量大，瞬間溫升快。高溫會對電子器件的性能產(chǎn)生有害的影響，據(jù)統(tǒng)計電子設(shè)備的失效有55 %是溫度超過規(guī)定值引起的，電子器件散熱技術(shù)越來越成為電子設(shè)備開發(fā)、研制中非常關(guān)鍵的技術(shù)。電子器件散熱的目的是對電子設(shè)備的運行溫度進行控制(或稱熱控制)，以保證其工作的穩(wěn)定性和可靠性，這其中涉及了與傳熱有關(guān)的散熱或冷卻方式、材料等多方面內(nèi)容，目前主要有空氣冷卻技術(shù)和液體冷卻技術(shù)兩大類。

1 空氣冷卻技術(shù)

空氣冷卻技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的電子冷卻技術(shù)，包括自然對流空氣冷卻技術(shù)和強制對流空氣冷卻技術(shù)。自然對流空氣冷卻技術(shù)主要應(yīng)用于體積發(fā)熱功率較小的電子器件，利用設(shè)備中各個元器件的空隙以及機殼的熱傳導(dǎo)、對流和輻射來達(dá)到冷卻目的。

自然對流依賴于流體的密度變化，所要求的驅(qū)動力不大，因此在流動路徑中容易受到障礙和阻力的影響而降低流體的流量和冷卻速率。對于體積發(fā)熱功率較大的電子器件，如單一器件功耗達(dá)到7 W(15~25 W·cm-2)，板級(印制電路板)功耗超過300 W(2~3W·cm-2)時，一般則采用強制對流空氣冷卻技術(shù)。強制散熱或冷卻方法主要是借助于風(fēng)扇等設(shè)備強迫電子器件周邊的空氣流動，從而將器件散發(fā)出的熱量帶走，這是一種操作簡便、收效明顯的散熱方法。提高這種強迫對流傳熱能力的方法主要有增大散熱面積(散熱片)以及提高散熱表面的強迫對流傳熱系數(shù)(紊流器、噴射沖擊、靜電作用)。對一些較大功率的電子器件，可以根據(jù)航空技術(shù)中的擾流方法，通過在現(xiàn)有型材散熱器中增加小片擾流片，在散熱器表面的流場中引入紊流，可以顯著提高換熱效果。

傳熱技術(shù)發(fā)展到今天，強制空冷散熱器的設(shè)計優(yōu)化已十分成熟，結(jié)合熱管技術(shù)、熱電制冷技術(shù)、空氣射流技術(shù)等，極大地強化了空冷技術(shù)的冷卻能力?？諝馍淞鳑_擊技術(shù)是近年高效空氣冷卻技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點，是大幅度提高空氣對流換熱系數(shù)的有效手段，射流沖擊(如圖1 所示)不同于傳統(tǒng)的強迫風(fēng)冷技術(shù)，它能在局部產(chǎn)生極高的對流換熱效果。實驗結(jié)果表明，射流沖擊的對流換熱系數(shù)達(dá)到900(W·m-2·K-1)，幾乎比傳統(tǒng)強迫風(fēng)冷技術(shù)提高了一個數(shù)量級，與強迫液冷換熱系數(shù)相當(dāng)。所以空氣射流沖擊技術(shù)是冷卻局部高功率密度器件的理想方式，也是傳統(tǒng)冷卻方式的一次革命性改進。

2 液體冷卻技術(shù)

液冷技術(shù)是20 世紀(jì)80 年代發(fā)展起來的，為解決當(dāng)時大型電子計算機的冷卻問題而提出。液體冷卻可以是單相的，也可以是兩相的，氣液相變的冷卻由于利用了冷卻劑的相變潛熱，所以冷卻效果更好。液體冷卻主要包括直接冷卻或間接冷卻、氣液相變冷卻、液體射流沖擊冷卻、滴液及噴淋冷卻等。

2.1 直接液體冷卻

直接液體冷卻中，冷卻液體與發(fā)熱的電子元器件直接接觸進行熱交換。熱源將熱量直接傳給冷卻液，再由冷卻液將熱量帶走，所以流體工質(zhì)的對流和相變是流體與熱源間的主要換熱方式，直接液冷的實驗效果可以達(dá)到800 W·cm-2.直接液體冷卻必須考慮到工質(zhì)與電子元器件間的電絕緣性以及相容性、工質(zhì)的熱脹冷縮性、系統(tǒng)的密封性以及系統(tǒng)的可維護性等。Yokouchi 等提出了一種低冷直接浸入冷卻方法，該方法不僅可以防止氣泡聚集在組件頂端產(chǎn)生氣泡層而影響產(chǎn)熱效果，而且可以顯著提高組件的冷卻效果。

2.2 間接液體冷卻

由于直接液體冷卻存在熱滯后引起的熱激波現(xiàn)象以及系統(tǒng)維護不便等原因，所以逐漸被間接液體冷卻所取代。間接液體冷卻法就是液體冷卻劑不與電子元件直接接觸，而是通過熱傳導(dǎo)的方式，先把熱量傳遞給換熱器，再由換熱器中的冷卻工質(zhì)將熱量帶走，這類換熱器通常稱之為冷板。圖2所示的冷板技術(shù)是一種相對簡單和低成本的方案，由循環(huán)液體從熱源帶走熱量再經(jīng)氣液換熱器將熱量散出。冷板采用空芯結(jié)構(gòu)，通常為蜂窩狀或回旋狀的結(jié)構(gòu)形式，所采用的液體通常是水、碳氟化合物、硅脂或己二醇等。