1、.wd.wd.wd.散熱器高效散熱技術及應用研究摘要：隨著電子技術的開展,使得電子器件的熱流密度不斷增加,這樣勢必對電子器有更高的散熱要求,因此有效地解決散熱問題已成為電子設備必須解決的關鍵技術。針對現(xiàn)代電子設備所面臨的散熱問題,就散熱 根本原理以及各種主流散熱技術，包括自然對流散、強制風冷散熱、液體冷卻、熱管、微槽道冷卻、集成熱路、熱電致冷等常用的電子設備散熱技術及某些前沿的研究現(xiàn)狀、開展趨勢及存在問題分別予以闡述。關鍵詞：熱傳遞 自然對流 強制風冷 熱管散熱 熱電制冷引言：據(jù)統(tǒng)計,55%的電子設備失效是由溫度過高引起的?？梢?電子設備的主要故障形式為過熱損壞,因此對電子設備進展有效的散熱是

2、提高產(chǎn)品可靠性的關鍵。電子設備的主要散熱技術電子設備的高效散熱問題與傳熱學(包括熱傳導、對流和熱輻射)和流體力學(包括質(zhì)量、動量和能量守恒三大定律)等原理的應用密切相關。一：熱傳遞主要有三種方式：傳導 : 物質(zhì)本身或當物質(zhì)與物質(zhì)接觸時，能量的傳遞就被稱為熱傳導，這是最普遍的一種熱傳遞方式，由能量較低的粒子和能量較高的粒子直接接觸碰撞來傳遞能量。相對而言，熱傳導方式局限于固體和液體，因為氣體的分子構(gòu)成并不是很嚴密，它們之間能量的傳遞被稱為熱擴散。熱傳導的 根本公式為“Q=KAT/L。其中Q代表為熱量，也就是熱傳導所產(chǎn)生或傳導的熱量；K為材料的熱傳導系數(shù)，熱傳導系數(shù)類似比熱，但是又與比熱有一些差異

3、，熱傳導系數(shù)與比熱成反比，熱傳導系數(shù)越高，其比熱的數(shù)值也就越低。舉例說明，純銅的熱傳導系數(shù)為396.4，而其比熱那么為0.39；公式中A代表傳熱的面積(或是兩物體的接觸面積)、T代表兩端的溫度差；L那么是兩端的距離。因此，從公式我們就可以發(fā)現(xiàn)，熱量傳遞的大小同熱傳導系數(shù)、熱傳熱面積成正比，同距離成反比。熱傳遞系數(shù)越高、熱傳遞面積越大，傳輸?shù)木嚯x越短，那么熱傳導的能量就越高，也就越容易帶走熱量。對流 : 對流指的是流體(氣體或液體)與固體外表接觸，造成流體從固體外表將熱帶走的熱傳遞方式。具體應用到實際來看，熱對流又有兩種不同的情況，即：自然對流和強制對流。自然對流指的是流體運動，成因是溫度差，溫

4、度高的流體密度較低，因此質(zhì)量輕，相對就會向上運動。相反地，溫度低的流體，密度高，因此向下運動，這種熱傳遞是因為流體受熱之后，或者說存在溫度差之后，產(chǎn)生了熱傳遞的動力；強制對流那么是流體受外在的強制驅(qū)動如風扇帶動的空氣流動,驅(qū)動力向什么地方，流體就向什么地方運動，因此這種熱對流更有效率和可指向性。熱對流的公式為“Q=HAT。公式中Q依舊代表熱量，也就是熱對流所帶走的熱量；H為熱對流系數(shù)值，A那么代表熱對流的有效接觸面積；T代表固體外表與區(qū)域流體之間的溫度差。因此熱對流傳遞中，熱量傳遞的數(shù)量同熱對流系數(shù)、有效接觸面積和溫度差成正比關系；熱對流系數(shù)越高、有效接觸面積越大、溫度差越高，所能帶走的熱量也

5、就越多。輻射 : 熱輻射是一種可以在沒有任何介質(zhì)的情況下，不需要接觸，就能夠發(fā)生熱交換的傳遞方式，也就是說，熱輻射其實就是以波的形式到達熱交換的目的。既然熱輻射是通過波來進展傳遞的，那么勢必就會有波長、有頻率。不通過介質(zhì)傳遞就需要的物體的熱吸收率來決定傳遞的效率了，這里就存在一個熱輻射系數(shù)，其值介于01之間，是屬于物體的外表特性，而剛體的熱傳導系數(shù)那么是物體的材料特性。一般的熱輻射的熱傳導公式為“Q =ESF(TaTb)。公式中Q代表熱輻射所交換的能力，E是物體外表的熱輻射系數(shù)。在實際中，當物質(zhì)為金屬且外表光潔的情況下，熱輻射系數(shù)對比小，而把金屬外表進展處理后比方著色其外表熱輻射系數(shù)值就會提升

6、。塑料或非金屬類的熱輻射系數(shù)值大局部都對比高。S是物體的外表積，F(xiàn)那么是輻射熱交換的角度和外表的函數(shù)關系，但這里這個函數(shù)對比難以解釋。(TaTb)那么是外表a的溫度同外表b之間的溫度差。因此熱輻射系數(shù)、物體外表積的大小以及溫度差之間都存在正比關系。任何散熱器也都會同時使用以上三種熱傳遞方式，只是側(cè)重有所不同。以CPU散熱為例，熱由CPU工作不斷地散發(fā)出來，通過與其核心嚴密接觸的散熱片底座以傳導的方式傳遞到散熱片，然后，到達散熱片的熱量，再通過其他方式如風扇吹動將熱量送走。整個散熱過程包括4個環(huán)節(jié)：第一是CPU，是熱源產(chǎn)生者；第二是散熱片，是熱的傳導體；第三是風扇，是增加熱傳導和指向熱傳導的媒介

7、；第四就是空氣，這是熱交換的最終流向。一般說來，依照從散熱器帶走熱量的方式，可以將散熱器分為主動式散熱和被動式散熱。所謂的被動式散熱，是指通過散熱片將熱源如CPU產(chǎn)生的熱量自然散發(fā)到空氣中，其散熱的效果與散熱片大小成正比，但因為是自然散發(fā)熱量，效果當然大打折扣，常常用在那些對空間沒有要求的設備中，或者用于為發(fā)熱量不大的部件散熱，如局部普及型主板在北橋上也采取被動式散熱。對于個人使用的PC機來說，絕大多數(shù)采取主動式散熱方式，主動式散熱就是通過風扇等散熱設備強迫性地將散熱片發(fā)出的熱量帶走，其特點是散熱效率高，而且設備體積小二：電子設備的散熱技術及開展趨勢作一概述。1自然對流散熱這是最經(jīng)典、最方便的

8、方法,是利用設備中各個元器件的空隙以及機殼的熱傳導、對流和輻射來到達散熱目的。這種方法適用對溫度控制要求不高,器件發(fā)熱的熱流密度不大的低功耗電子器件和部件,以及密封或密集組裝的器件不宜采用其他散熱方法的情況下。這種技術的優(yōu)點是構(gòu)造簡單,成本低,安全可靠;沒有噪聲和震動。缺點是熱阻大,傳熱性能差。2.強制風冷散熱這是依靠風扇(常見的有離心式、軸流式、螺旋槳式)等迫使器件周圍空氣流動,從而將器件散發(fā)出的熱量帶走而到達散熱目的的方法。資料說明:當器件發(fā)熱密度大于0. 155 W /cm2時,用對流、輻射、傳導等自然冷卻方式就不能有地將熱量帶走,必須采用強迫風冷。強制風冷散熱主要是對流換熱。根據(jù)傳熱學

9、原理,對流換過程滿足牛頓冷卻公式P= T,而散熱器的散熱效果用熱阻RT表示,RT= T /P。對比兩可得出RT= 1 /(A)因此,提高散熱效果的途徑有:(1)增加散熱器的散熱面積A,可通過加大散熱器尺寸或增加散熱器肋片的數(shù)量來實現(xiàn),但受到裝置體積和質(zhì)量的限制;(2)提高換熱系數(shù),可采用大尺寸和高轉(zhuǎn)速的風機提高空氣流動速度,從而提高,但這需要增加成本,使噪聲增大,壽命下降;(3)通過合理的風道設計,在散熱器前參加擾流片引入紊流,增加局部對流,可以加強換熱,提高散熱效果。實驗證明,合理的風道設計可使熱阻降低10% 20%。溫升降低5 10 。幾乎所有的臺式或采用機柜安裝的電子設備都采用強制風冷散

10、熱方式,這種空氣強制對流冷卻的換熱量比自然對流和輻射的要大到10倍。但由于需要增加風機或泵,使得成本增加,噪聲變大,運行可靠性較低。目前有許多科學家致力于改良強制風冷技術并取得了重大突破。典型的有喬冶亞理工大學封裝研究中心研制的主要為冷卻單芯片和多芯片組件的微噴冷卻技術,從許多微孔中噴出氣體到被冷卻外表,介質(zhì)與外表換熱系數(shù)因強烈擾動而保持在很高的水平,它的風冷能力超過10W /cm2。另一種先進技術為射流冷卻,采用這種技術的器件芯片熱流密度可達100W /cm2。射流冷卻時流體沿芯片法向沖擊傳熱外表,沖擊處的速度和溫度邊界層很薄,因而具有很高的傳熱率來到達冷卻的要求。3. 液體冷卻 強制冷卻除

11、了強制風冷外,還有強制液冷,它是對大熱流密度芯片所采用的一種散熱方式,包括直接冷卻和間接冷卻。直接液體冷卻又稱浸入冷卻,這指液體與電子器件直接接觸,由冷卻劑吸熱并將熱量帶走,如把電子器件直接浸在氟化烴溶液中,利用它直接冷卻。KishioYoKouchi等人曾提出一種低冷直接浸入冷卻方法,它可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,同時也相應提高組件的冷卻效果。直接液冷的實驗效果可達800W /cm25。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)維護不方便等原因,現(xiàn)已逐步被間接液體冷卻所取代。間接液體冷卻即是指液體冷卻劑不與電子元件直接接觸,熱量經(jīng)中間媒介或系統(tǒng)從發(fā)熱元件傳遞給液

12、體,中間媒介是指液體冷板及輔助裝置如液冷模塊(LCM)、導熱模塊(TCM)、噴射液冷模塊(CCM)、液冷基板(LCS)等,這種液體冷板起支撐和熱交換的雙重作用。近年來,開展了一些新型液體冷卻技術。如液體射流冷卻技術,采用自由外表射流和浸液射流兩種形式,它的原理與空氣射流冷卻原理 根本一樣,但冷卻效果更佳。但這種冷卻方式中冷卻液只能噴射在滯止區(qū),這限制了其應用。為此,開展了噴淋冷卻技術。噴淋冷卻液滴是直接作用到更大的區(qū)域,這樣芯片的溫度分布更趨一致,冷卻效果更高,因此被認為是最有效率、最有前景的冷卻方式之一。國外已出現(xiàn)在電子設備中熱流密度500 W /cm2的芯片應用液體噴淋冷卻技術的研究成果。

13、保持在極端環(huán)境下其溫度小于75 ,采用的冷卻液是FC -726。另一種液體冷卻方式為相變冷卻,指利用制冷發(fā)生相變時大量吸收熱量的特性,在特定場合下對電子器件進展冷卻。它包括兩種情況:容積沸騰(靜止液體沸騰或池沸騰)和流動沸騰。容積沸騰是利用去離子液體的相變冷卻散熱,傳熱性能比強制風冷提高10倍 50倍,流動沸騰是指流體在窄通道內(nèi)的對流沸騰傳熱,熱流密度可達100W /cm2。4.熱管散熱技術熱管技術起源于20世紀60年代,由于它具有極高的導熱性,優(yōu)良的等溫性,熱流密度可變性,流動方向可逆性,恒溫特性及環(huán)境的適應性等優(yōu)點,可以滿足電子電氣設備對散熱裝置緊湊、可靠控制靈活、高散熱效率等要求7,因此

14、,熱管在電子設備散熱技術領域獲得了廣泛的應用。熱管的工作原理為:液體工質(zhì)在蒸發(fā)段被熱流加熱蒸發(fā),其蒸氣經(jīng)過絕熱段流向冷凝段。在冷凝段蒸氣被管外冷流體冷卻放出潛熱,凝結(jié)為液體;積聚在散熱段吸液芯中的凝結(jié)液借助吸液芯的毛細力的作用,返回到加熱段再吸熱蒸發(fā)。它的整個過程是在沒有外部動力,沒有機械運動零件,沒有噪聲的情況下完成的,設計簡單有效,傳熱能力大,導熱系數(shù)大。使用時,其一端可以連接多個發(fā)熱部件,另一端可連接散熱器、機殼其他冷卻器件,散熱效果十分理想。目前熱管技術在電子設備熱控制中代表性的應用首推電腦內(nèi)芯片的散熱冷卻。如由Staio Y,Mo-chizukiM等人應用熱管技術對筆記本電腦的CPU

15、散熱,并提出了兩種方案:一是鉸鏈式散熱,即首先用一根熱管傳至顯示屏與盒體的連接鉸鏈塊上,另一根熱管將第一根熱管傳至鉸鏈塊上的熱量傳至顯示屏背后的鋁板,其散熱功率可到達10W,另一種是強制對流散熱,即將CPU的熱量傳至一塊鋁板上,鋁板上裝有扁平的微型熱管,扁平熱管將鋁板的熱量傳遞到帶有很多薄肋片的鋁板散熱器上,在散熱器前裝一個微型風扇,將熱量排除到環(huán)境中去,其散熱功率到達12W。然而,臺式電腦服務器,工作站中CPU需要散熱功率為50W 100W,單個熱管不能到達散熱要求,為此,Fujikura公司開發(fā)出稱為“仙人掌式熱管,這種熱管的散熱效果與冷風的流速有關,如CPU功耗為80W,風速為2. 5m

16、 /s時,其熱阻為0. 5 W/。美國Thermacore公司推出了一種專門為筆記本電腦設計的熱管,可用于主頻200MHz以上芯片的散熱。自從1988年TPCotter在日本舉行的第五屆國際熱管會議上提出微型熱管的理論及展望,引起了微熱管在電子器件散熱方面的廣泛應用。微熱管是由密閉容器、毛細構(gòu)造與工作流體組成。容器抽成真空后,流入適量的工作流體,然后密封,工作流體在容器內(nèi)維持飽和狀態(tài),一旦容器的一端受熱,工作流體吸熱汽化,所產(chǎn)生的蒸汽流向容器另一端放熱凝結(jié),而凝結(jié)液將因毛細作用力或重力回流至原加熱位置。加州大學洛杉磯分校的散熱熱設計方案就綜合利用了微噴管和微熱管來增強散熱性能8。值得注意的是,

17、熱管由于其制造材料、工藝、管內(nèi)干凈度等原因會導致使用一段時間后傳熱性能下降,因此要嚴格控制熱管的產(chǎn)品質(zhì)量,進展老化試驗,同時,必須對被冷卻的器件進展溫度監(jiān)控。5.微槽道冷卻微槽道散熱器是在很薄的硅片金屬或其他適宜的基片上,用光刻、蝕刻及準確切削等方法加工成截面尺寸僅有幾十到上百微米的槽道,換熱介質(zhì)在這些小槽道中流過與換熱器基體并通過基體與別的換熱介質(zhì)進展換熱9。這種散熱器最早是由Tucker-man和Pease于1981年提出,并從理論上證明了水冷卻微槽道的散熱能力可達1 000W /cm2。 20世紀90年代以來,美國的一些大學如斯坦福大學、加州大學各分校、馬里蘭大學等和Intel、HP等大

18、公司合作,開場了微細尺度下的探索性研究工作,尤其微尺度傳熱介質(zhì)的理論和實驗研究。目前,單層微槽道散熱器已趨于成熟,為進一步減少壓力降,提高芯片溫度均勻性而減少熱應力,已對雙層微槽道進展研究。迄今為止,該領域尚無系統(tǒng)的機理與理論研究,許多問題如低雷諾數(shù)下微流體的流動問題及邊界條件及連體動力學有特性的熱流分析都值得探討。6.集成熱路集成熱路的名稱是為對應于集成電路,實際上是一個模塊化微機械硅散熱系統(tǒng),由微通道冷凝器、微泵驅(qū)動、微噴射蒸發(fā)器組成,能有效地解決集成電路及其電路器件的散熱問題。目前,用于電力電子器件(如IGBT)的大功率集成熱路,要求散熱能力為600W /cm2,已有研究者理論計算出散熱能力可達1 000W /cm2。7.熱電致冷熱電致冷又稱半導體致冷,它的理論依據(jù)是利用半導體材料(如Bi2Te3)的Pelti