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1、电子设备散热技术研究摘要： 随着微电子技术的发展，使得电子器件的热流密度不断增加，这样势必对电子器件有更高的散热要求，因此有效地解决散热问题已成为电子设备必须解决的关键技术。针对现代电子设备所面临的散热问题，就自然对流散、强制风冷散热、液体冷却、热管、 微槽道冷却、集成热路、热电致冷等常用的电子设备散热技术及某些前沿的研究现状、发展趋势及存在问题分别予以阐述，为电子散热设计提供参考价值。随着现代电子设备对可靠性要求、性能指标和功率密度等的进一步提高，电子设备的热设计也越来越重要。功率器件是多数电子设备中的关键器件，其工作状态的好坏直接影响整机可靠性。功率器件尤其是大功率器件发热量大，仅靠封装外

2、壳散热无法满足散热要求。所以需要选择合理的散热和冷却方法，设计有效的散热系统, 把电子元器件的温度控制在规定的数值之下，在热源至外部环境之间提供一条低热阻通道，以确保热量能够顺利地散发出去1。据统计2 ， 55%的电子设备失效是由温度过高引起的。可见，电子设备的主要故障形式为过热损坏，因此对电子设备进行有效的散热是提高产品可靠性的关键。传热方式散热的目的是对电子设备的运行温度进行控制以保证其工作的稳定性和可靠性。电子设备的高效散热问题与传热学(包括热传导、对流和热辐射)和流体力学(包括质量、动量和能量守恒三大定律)等原理的应用密切相关。在实际中，单独出现是不存在,多为三种方式同时存在于复杂的换

3、热过程中。设计时抓住某种主要的传热方式进行计算其他方式可忽略不计算。导热对于导热，不同材料所表现的方式不一样。气体导热是由于气体分子不规则运动时和相互碰撞的结果。金属导体中的导体主要靠自由电子的运动来完成。而非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动来实现的。液体中导热主要靠弹性波的作用来实现。导热的基本定律是傅立叶定律。在纯导热过程中，单位时间内通过给定面积的热流量，正比于该垂直于导热方向的截面面积及器温升变化率，其计算公式为：Atx式中：为热流量，W；为导热系数，W/(m. )，见表1； A为导热方向上的截面面t积，m2；t 为 x方向的温度变化率，/m；负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向

4、相x反。表 1 常用材料的导热系数(W/ m)材料导热系数实验温度材料导热系数实验温 度材料导热系数实验温度银42018纯铁6718橡胶0.1820纯铜3920软钢630变压器油0.1330铝2000硅钢3220纸胶版0.1450黄铜12018镍590石棉纸板0.7420青铜70.520陶瓷1.0520黄腊布0.1638锡620云母0.5850空气0.0230生铁500水0.5820玻璃0.8201.2 对流换热对流换热是指流体各部分之间发生相对位移时所引用的热量传递过程。对流换热可用的牛顿冷却公式计算：hfA（tw tf ）式中：hf为对流换热系数，W/（m 2. ）； A为对流换热面积，m

5、2； tw热表面积温度，；tf为冷却流体温度，。1.3 辐射换热则它辐射换热是指物体之间相互辐射和吸收过程的总效果。当物体的温度处于平衡时，们之间辐射和吸收的能量相等，处于热的动平衡状态。5.67AF12 12T14 T24100100式中， A为物体辐射换热面积，m2； F12为角系数，见表2；12为系统黑度，见表2；1、2分别为物体1 和物体 2 的黑度，见表3； T1,T2分别为物体1 和物体 2 的绝对温度，T。表 2 角系数和系统黑度的计算公式（或图线）换热表面角系数的算式（或图线）系统黑度121 、两块平行的平板，器尺寸 远大于其间的间距FF1221式中F1-2为表面1 对表面 2

6、 的角度系数；F2-1 为表面2 对表面 1 的角度系数1, 2 为表面1， 2 的黑度，2、两块平行的平板，器宽度（垂直于纸面的尺寸）远大于其间的距离h12当 1 和 2 都大于 0.8 时，12 取用 1 2 的误差很小，以下同 .3、 无凹面的物体1 处于物体2的包围中，或与物体2 构成一封闭腔2.2 强制风冷散热式中A1、 A2分别为表面1 和 2 的面积当A1A2 时1当A1A2 时12= 11AF1 2 arctg arctg CC AA2 1arctg 1 A2 C22224、 两块相互垂直并有共同边b的矩形A2c2 1 A2 C2+ ln 2224C 1 A2 A2 C2Cln

7、 1 A2 C222式中 A ,Cb41 A2 1 C 2表 3 常用材料的黑度材料黑度试验温度材料黑度试验温度抛光的铝0.0423锡0.0425氧化铝0.19600镀锌铁皮0.2338抛光的铁0.05175黄色涂料0.9720氧化铁0.75100白色珐琅漆0.9223抛光的黄铜0.1400黑色罩光漆0.8925氧化的黄铜0.62200云母0.7625氧化的紫铜0.7925光滑的玻璃0.9522抛光的银0.0238石棉纸板0.9724抛光的镍0.4625黑色橡胶0.96202 电子设备的主要散热技术自然对流散热自然对流散热是利用设备中各个元器件的空隙以及机壳的热传导、对流和辐射来达到散热目的最

8、经典、最方便的散热方法。这种方法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电子器件和部件，以及密封或密集组装的器件不宜采用其他散热方法的情况。强制风冷散热是依靠风扇(常见的有离心式、轴流式、螺旋桨式)等迫使器件周围空气流动 , 从而将器件散发出的热量带走而达到散热目的的方法。资料表明：当器件发热密度大于0.155W/cm 2时 , 用对流、辐射、 传导等自然冷却方式就不能有效地将热量带走，必须采用强迫风冷。RTT P 。 比 较 两 式 可得 出强制风冷散热主要是对流换热。根据传热学原理，对流换热过程满足牛顿冷却公式P T ， 而 散 热 器的 散 热效 果用 热 阻 RT 表

9、示，RT1/ A因此，提高散热效果的途径有：增加散热器的散热面积A。可通过加大散热器尺寸或增加散热器肋片的数量来实现，但受到装置体积和质量的限制；(2)提高换热系数 ，可采用大尺寸和高转速的风机提高空气流动速度，从而提高 。但这需要增加成本，使噪声增大，寿命下降；(3)通过合理的风道设计。在散热器前加入扰流片引入紊流，增加局部对流，可以加强换热，提高散热效果。实验证明，合理的风道设计可使热阻降低10% 20%，温升降低 510。目前， 几乎所有的台式或采用机柜安装的电子设备都采用强制风冷散热方式，这种空气强制对流冷却的换热量比自然对流和辐射的要大到10 倍。但由于需要增加风机或泵，使得成本增加

10、，噪声变大，运行可靠性较低。最近有许多科学家致力于改进强制风冷技术并取得了重大突破。典型的有乔冶亚理工大学封装研究中心研制的主要为冷却单芯片和多芯片组件的微喷冷却技术，从许多微孔中喷出气体到被冷却表面，介质与表面换热系数因强烈扰动而保持在很高的水平，它的风冷能力超过10W /cm 2。另一种先进技术为射流冷却，采用这种技术的器件芯片热流密度可达100W /cm 2。射流冷却时流体沿芯片法向冲击传热表面, 冲击处的速度和温度边界层很薄，因而具有很高的传热率来达到冷却的要求3。液体冷却强制冷却除了强制风冷外，还有强制液冷，它是对大热流密度芯片所采用的一种散热方式， 包括直接冷却和间接冷却。直接液体

11、冷却又称浸入冷却，这指液体与电子器件直接接触，由冷却剂吸热并将热量带走，如把电子器件直接浸在氟化烃溶液中, 利用它直接冷却。KishioYoKouchi4等人曾提出一种低冷直接浸入冷却方法，它可防止气泡聚集在组件顶端产生气泡层而影响产热效果，同时也相应提高组件的冷却效果，直接液冷的实验效果可达800W /cm 2。由于直接液体冷却存在热滞后引起的热激波现象以及系统维护不方便等原因，现已逐步被间接液体冷却所取代。间接液体冷却即是指液体冷却剂不与电子元件直接接触，热量经中间媒介或系统从发热元件传递给液体，中间媒介是指液体冷板及辅助装置如液冷模块(LCM)、导热模块(TCM )、喷射液冷模块(CCM

12、)、液冷基板(LCS等，这种液体冷板起支撑和热交换的)双重作用。近年来，发展了一些新型液体冷却技术。如液体射流冷却技术，采用自由表面射流和浸液射流两种形式，它的原理与空气射流冷却原理基本相同，但冷却效果更佳。但这种冷却方式中冷却液只能喷射在滞止区，这限制了其应用。因此， 发展了喷淋冷却技术。喷淋冷却液滴是直接作用到更大的区域，这样芯片的温度分布更趋一致，冷却效果更高，因此被认为是最有效率、最有前景的冷却方式之一。国外已出现在电子设备中热流密度500 W /cm 2的芯片，在极端环境下其温度小于75 , 采用的冷却液是FC -72的液体喷淋冷却技术的研究成果 5。另一种液体冷却方式为相变冷却，指

13、利用制冷发生相变时大量吸收热量的特性，在特定场合下对电子器件进行冷却。它包括两种情况：容积沸腾(静止液体沸腾或池沸腾)和流动沸腾。容积沸腾是利用去离子液体的相变冷却散热，传热性能比强制风冷提高10 倍 50 倍。流动沸腾是指流体在窄通道内的对流沸腾传热，热流密度可达100W /cm 2。热管散热技术热管技术起源于20 世纪 60 年代。由于它具有极高的导热性，优良的等温性，热流密度可变性，流动方向可逆性，恒温特性及环境的适应性等优点，可以满足电子电气设备对散热装置紧凑、可靠控制灵活、高散热效率等要求，因此， 热管在电子设备散热技术领域获得了广泛的应用6。热管的工作原理为：液体工质在蒸发段被热流

14、加热蒸发，其蒸气经过绝热段流向冷凝段。在冷凝段蒸气被管外冷流体冷却放出潜热，凝结为液体；积聚在散热段吸液芯中的凝结液借助吸液芯的毛细力的作用，返回到加热段再吸热蒸发，如图 1 所示。 它的整个过程是在没有外部动力，没有机械运动零件，没有噪声的情况下完成的，设计简单有效，传热能力大，导热系数。 使用时， 其一端可以连接多个发热部件，另一端可连接散热器、机壳其他冷却器件，散热效果十分理想。图 1 热管工作原理示意图传统热管汽液同道，弯曲将导致散热性能剧降。脉动热管是90 年代初出现的一种新型热管，可以如血脉一般较为随意的弯曲，在小型设备的应用中有很大的前景7。 Cotter8在1984 年首次提出

15、了微型热管的概念，作为目前国际发展最快的热管技术，管径通常可达到1 2mm。微热管是由密闭容器、毛细结构与工作流体组成。容器抽成真空后，流入适量的工作流体，然后密封,工作流体在容器内维持饱和状态，一旦容器的一端受热，工作流体吸热汽化， 所产生的蒸汽流向容器另一端放热凝结，而凝结液将因毛细作用力或重力回流至原加热位置。鲁祥友9等提出了一种回路热管，结构如图2 所示，热管上端置有冷凝，避免了汽液同道，结构紧凑且散热性能较好。贾月10等设计了一种采用隧道式结构的热管散热基板，并通过实验得出热管倾斜角度对LED 散热的影响与刘召军11等的研究结果一致。平板热管作为一种新型的热管，具有高效率、均温性、重

16、量轻等优点。平板热管一般由两块铜皮封装而成，内部置有烧结而成的铜网作为吸液芯，使用时利用导热胶粘贴在热源表面，通过扩大散热面积加强散热。Tan12等经过研究发现最佳单热源位置为平板中心处，多热源则需要布置在中心轴对称处以取得最佳散热效果。Staio Y， MochizukiM 等人应用热管技术对笔记本电脑的CPU 散热，并提出了两种方案：一是铰链式散热，即首先用一根热管传至显示屏与盒体的连接铰链块上，另一根热管将第一根热管传至铰链块上的热量传至显示屏背后的铝板，其散热功率可达到10W，另一种是强制对流散热，即将CPU的热量传至一块铝板上，铝板上装有扁平的微型热管, 扁平热管将铝板的热量传递到带

17、有很多薄肋片的铝板散热器上，在散热器前装一个微型风扇，将热量排除到环境中去，其散热功率达到12 W。然而，台式电脑服务器，工作站中CPU 需要散热功率为50W 100W， 单个热管不能达到散热要求。因此， Fujikura 公司开发出称为 “仙人掌”式热管， 这种热管的散热效果与冷风的流速有关，如 CPU功耗为80W，风速为2.5m /s 时，其热阻为0.5 /W。美国 Thermacore 公司推出了一种专门为笔记本电脑设计的热管,可用于主频200MHz 以上芯片的散热。2 回路热管结构示意图2.5 微槽道冷却微槽群相变冷却技术是依靠技术手段（如设备结构：微槽等手段）把密闭循环的冷却介质（若

18、介质为水）变为纳米数量级的水膜，大功率电子器件的热量被蒸气带走，具有水膜越薄，遇热蒸发能力越强，潜热交换能力越强的特点，如图 3 所示。 微槽道散热器是在很薄的硅片金属或其他合适的基片上，用光刻、 蚀刻及精确切削等方法加工成截面尺寸仅有几十到上百微米的槽道，换热介质在这些小槽道中流过与换热器基体并通过基体与别的换热介质进行换热。这种散热器最早是由Tuckerman 和 Pease于 1981 年提出13，并从理论上证明了水冷却微槽道的散热能力可达1000W/cm 2。 20 世纪 90 年代以来, 美国的一些大学如斯坦福大学、加州大学各分校、马里兰大学等和Intel、 HP 等大公司合作，开始

19、了微细尺度下的探索性研究工作 , 尤其微尺度传热介质的理论和实验研究。目前， 单层微槽道散热器已趋于成熟，为进一步减少压力降，提高芯片温度均匀性而减少热应力，已对双层微槽道进行研究。迄今为止，该领域尚无系统的机理与理论研究，许多问题如低雷诺数下微流体的流动问题及边界条件及连体动力学有特性的热流分析都值得探讨。3 微槽群相变冷却原理图集成热路集成热路的名称是为对应于集成电路，实际上是一个模块化微机械硅散热系统，由微通道冷凝器、微泵驱动、微喷射蒸发器组成，能有效地解决集成电路及其电路器件的散热问题。目前，用于电力电子器件（如 IGBT）的大功率集成热路, 要求散热能力为600W/cm 2，已有研究

20、者理论计算出散热能力可达1000W/cm 2。热电致冷热电制冷技术是利用半导体的帕尔贴效应进行制冷，成的电偶时，在电偶两端即可分别吸收热量和放出热量，实现制冷目的14，其工作原理如图 4 所示。它的优点是：结构紧凑，静音，无运转部件，易控制，不需要制冷剂，制冷量和制冷速度可通过改变电流大小来调节。它的缺点是效率较低，成本高，它在恒温和功率密度大的系统中得到广泛应用，也可用来冷却低温超导电子器件。这种技术设计和使用的关键是克服该制冷器冷量小和制冷系数低的不足，提高该制冷器能效比及其经济性。3 总结随着微电子技术的飞速发展，电子产品不断朝高密度封装与多功能化方向发展，使得散热问题越来越棘手。为适应

21、电子技术发展的需要，电子散热技术也取得了很大的进展, 目前微型化和小型化的高效散热技术已成为各国研究的重点，并采用热分析软件如FLOTHERM(英 )和Icepak(美 )软件进行计算机辅助热分析。随着研究的深入，将出出更多的新型散热技术并得到应用。参考文献王丽。大功率电子设备结构热设计研究J.专题技术与工程应用，2009， 61 ( 1) ： 61-63刘一兵。电子设备散热技术研究J.电子工艺技术，2007， 28( 5) ： 286-289徐超， 何雅玲， 杨卫卫等。现代电子器件冷却方法研究动态J. 制冷与空调，2003， 3(4 )：10-13李庆友， 王文， 周根明。 电子元器件散热方法研究 J. 电子器件，2005， 28(12)： 937- 940黄大革，杨双根。高热流密度电子设备散热技术 J. 流体机械，2006，34(9)： 71 74姚寿广，马哲树，罗林等。电子电器设备中高效热管散热技术的研究现状及发展J