電子器件散熱技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)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(jī)發(fā)熱量低而運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量大，瞬間溫升快。高溫會(huì)對(duì)電子器件的性能產(chǎn)生有害的影響，據(jù)統(tǒng)計(jì)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(duì)電子設(shè)備的運(yùn)行溫度進(jìn)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(duì)流空氣冷卻技術(shù)和強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻技術(shù)。自然對(duì)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(gè)元器件的空隙以及機(jī)殼的熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射來達(dá)到冷卻目的。

自然對(duì)流依賴于流體的密度變化，所要求的驅(qū)動(dòng)力不大，因此在流動(dòng)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(duì)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(jí)(印制電路板)功耗超過300 W(2~3W·cm-2)時(shí)，一般則采用強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻技術(shù)。強(qiáng)制散熱或冷卻方法主要是借助于風(fēng)扇等設(shè)備強(qiáng)迫電子器件周邊的空氣流動(dòng)，從而將器件散發(fā)出的熱量帶走，這是一種操作簡(jiǎn)便、收效明顯的散熱方法。提高這種強(qiáng)迫對(duì)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(qiáng)迫對(duì)流傳熱系數(shù)(紊流器、噴射沖擊、靜電作用)。對(duì)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(chǎng)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(qiáng)制空冷散熱器的設(shè)計(jì)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(qiáng)化了空冷技術(shù)的冷卻能力。空氣射流沖擊技術(shù)是近年高效空氣冷卻技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，是大幅度提高空氣對(duì)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(qiáng)迫風(fēng)冷技術(shù)，它能在局部產(chǎn)生極高的對(duì)流換熱效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，射流沖擊的對(duì)流換熱系數(shù)達(dá)到900(W·m-2·K-1)，幾乎比傳統(tǒng)強(qiáng)迫風(fēng)冷技術(shù)提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，與強(qiáng)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(jìn)。

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(shí)大型電子計(jì)算機(jī)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(jìn)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(duì)流和相變是流體與熱源間的主要換熱方式，直接液冷的實(shí)驗(yàn)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(hù)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(hù)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(duì)簡(jiǎn)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。[!--empirenews.page--]

為了提高冷板的散熱效果，Li Teng 等采用低熔點(diǎn)金屬或其合金作為冷卻流動(dòng)工質(zhì)，液態(tài)金屬及合金一方面具有遠(yuǎn)高于水、空氣等常規(guī)冷卻介質(zhì)的導(dǎo)熱率，另一方面還具有流動(dòng)性，可實(shí)現(xiàn)快速高效的熱量運(yùn)輸。有學(xué)者以納米Al2O3/水功能流體作為冷卻介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳熱性能提高了40 %.美國(guó)Avid Thermalloy公司專利產(chǎn)品HiContact 系列冷板是將鑲嵌在平板上的圓管部分壓扁，使得管與板形成同一平面，這樣冷卻管可以與元器件直接接觸，從而提高傳熱效果。Thermacore 公司推出的微處理冷板冷卻系統(tǒng)散熱能力超過200 W,熱流密度大于250 W·cm-2.

2.3 微通道傳熱

微通道是定義為水力學(xué)直徑在1~1000 靘 之間的通道或管道，具有高表面積/體積比、低熱阻、低流量等特點(diǎn)，是一種有效散熱的解決方案。在定向硅片上或者在基板上利用各向異性蝕刻等技術(shù)制造出微尺度通道，液體在流過微通道時(shí)通過蒸發(fā)或者直接將熱量帶走。它是利用微尺度換熱的特殊性來達(dá)到高效冷卻的目的，是目前各國(guó)研究的熱點(diǎn)。研究表明，液體在微通道內(nèi)被加熱會(huì)迅速發(fā)展為核態(tài)沸騰，此時(shí)液體處于一個(gè)高度不平衡狀態(tài)，具有很大的換熱能力，通道壁面過熱度也比常規(guī)尺寸下的情況要小得多。Faulkner 等研制了一套基于微通道的冷卻系統(tǒng)，利用納米流體的強(qiáng)化沸騰效果實(shí)現(xiàn)了1000 W·cm-2 的冷卻能力。

3 結(jié)語

抗熱沖擊和散熱問題已成為電子技術(shù)發(fā)展的瓶頸。傳統(tǒng)的依靠單相流體的對(duì)流換熱方法和強(qiáng)制風(fēng)冷方法難以滿足許多電子器件的散熱要求，特別是風(fēng)冷需要安排高效、高翅化比的擴(kuò)展散熱表面，卻常常受到應(yīng)用場(chǎng)合的空間限制。因此，必須研究和開發(fā)新的散熱手段以適應(yīng)有高熱流密度散熱要求的場(chǎng)合。電子設(shè)備的微型化及特殊用途有時(shí)要求使用一些特殊的冷卻方式，其中研究和應(yīng)用較多的有熱管傳熱冷卻、熱虹吸管傳熱冷卻、環(huán)路熱管、毛細(xì)泵吸環(huán)路冷卻及熱電制冷等。近年還發(fā)展起一類具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)-相變溫控，其基本原理是利用相變材料的相變過程儲(chǔ)存或釋放熱量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的溫度控制。相變溫控因具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，早在20 世紀(jì)60 年代就被應(yīng)用到航空航天電子設(shè)備溫控上。隨著各種便攜式電子設(shè)備向小型化、高集成化方向的發(fā)展，相變溫控又被應(yīng)用到這些電子設(shè)備的溫控上，這方面的應(yīng)用研究逐漸成為溫控領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。利用相變材料大的相變潛熱和較為恒定的相變溫度的特點(diǎn)，可有效提高電子元器件抗熱沖擊的能力，實(shí)現(xiàn)電子器件散熱的有效管理，保證電子電器設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。