课程编号：13SD02010340课程名称：传热学上课时间：2014年春季电子元器件散热方法研究姓名：学号：班级：所在学院：任课教师：摘要：随着电子器件的高频、高速以及集成电路技术的迅速发展和技术的进步，电子元器件的总功率密度大幅度增长而物理尺寸却越来越小，热流密度也随之增加，所以高温的温度环境势必会影响电子元器件的性能，这就要求对其进行更加高效的热控制。

因此，有效解决电子元器件的散热问题已成为当前电子元器件和电子设备制造的关键技术。

本文针对电子元器件的散热与冷却问题，综述了当前应用研究中不同的散热和冷却方法，并进行了适当的分析。

关键词热管理; 冷却; 电子器件近些年来,电子技术的快速发展。

电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化,使得单位容积电子器件的总功率密度和发热量大幅度地增长,从而使电子器件的冷却问题变得越来越突出。

如: 大型计算机的芯片热流量已达到了60 W/ cm2,到2000 年已经超过了,目前最高已达到200 W/ cm2。

特别是由于MEMS技术突飞猛进,使得电子元器件的尺寸越来越小,已经从微米量级进入到了亚微米量级。

尽管随着器件或系统尺寸的减小, 消耗功率也会有所减小, 但为了完成一定的任务,可减小的余地非常有限,这使得为系统内的热流密度非常大, 据报道可达, 远远高出航天飞行器回归地球与大气摩擦时产生的惊人的高热流密度。

在微系统中可能出现的高热流密度对于电子器件是致命的, 然而使用传统的冷却技术要使如此高的热流密度在短时间内散去几乎是不现实的; 另一方面, 电子器件工作的可靠性对温度十分敏感, 器件温度在70～80 水平上每增加1, 可靠性就会下降5%。

因而电子产品的开发、研制中必须要充分考虑到良好的散热手段, 才能保证产品的可靠性和表观。

由于电子元器件的小型化、微型化和集成化,所采用的散热和冷却手段必须要求具有紧凑性、可靠性、灵活性、高散热效率等特点。

1 电子元器件的散热或冷却方法电子元器件的高效散热问题与传热学、流体力学等原理的应用密切相关。

电子器件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。

这其中涉及了与传热有关的散热或冷却方式、材料等多方面内容。

从应用的角度看,常用的方法主要有: 自然散热或冷却、强制散热或冷却、液体冷却、制冷方式、疏导方式、热隔离方式和PCM 温度控制方法等。

1.1 自然散热或冷却方法自然散热或冷却方法是指不使用任何外部辅助能量的情况下,实现局部发热器件向周围环境散热达到温度控制的目的,这其中通常都包含了导热、对流和辐射三种主要传热方式, 其中对流以自然对流方式为主。

自然散热或冷却往往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器件和部件,以及密封或密集组装的器件不宜采用其它冷却技术的情况下。

有时,在对散热能力要求不高时也常常利用电子器件自身特点增强与邻近热沉的导热或辐射、通过结构设计强化自然对流,在一定程度上提高系统向环境散热能力。

1. 2 强制散热或冷却方法强制散热或冷却方法主要是借助于风扇等强迫器件周边空气流动,从而将器件散发出的热量带走的一种方法。

这种方法是一种操作简便、收效明显的散热方法。

如果部件内元器件之间的空间适合空气流动或适于安装局部散热器, 就可尽量使用这种冷却方法。

提高这种强迫对流传热能力的方法主要有:增大散热面积( 散热片) 和在散热表面产生比较大的强迫对流传热系数( 紊流器、喷射冲击、静电作用) 。

增大散热器表面的散热面积来增强电子元器件的散热,在实际工程中得到了非常广泛的应用。

工程中主要是采用肋片( 又称翅片) 来扩展散热器表面的散热面积以达到强化传热的目的。

肋片式散热器又称气冷式冷板, 如: 型材、叉指、针状等各种型式, 长期、广泛地作为热耗电子器件的延伸表面与所处环境( 主要是空气) 的换热器件。

如, 普通台式电脑芯片上肋片散热器和风扇等。

如果在散热器( 热沉) 上加工上微通道,这样可以减小热沉热阻,进一步提高散热效果。

例如, 冷却大功率半导体激光器的微通道热沉。

对一些较大功率的电子器件, 可以根据航空技术中扰流方法, 在现有型材散热器中增加数小片扰流片在散热器表面的流场中引入紊流可以显著提高换热效果,实践表明,紊流可使对流换热系数增加15% 左右。

当然,散热器本身材料的选择跟其散热性能有着直接的关系。

目前, 散热器的材料主要是用铝经过压铸型加折叠鳍/ 冲压薄鳍而制成的, 铝具有高的热传导率( 198W/ mK ) 和不易氧化的优点。

另外已研制出传导率大于200 W/ mK 的AIN 陶瓷,用这种材料制成的散热器具有高的热传导率、不导电、长期暴露在空气中不会氧化的优点, 这种材料已在电子元件的封装技术和行波管中得到了应用。

此外,用硅材料制作热沉在微型系统中也得到了广泛的应用,通过化学加工方法可以在硅材料上得到理想深宽比的微通道。

1. 3 液体冷却方法对电子元器件采用液体冷却的方法进行散热,主要是针对芯片或芯片组件提出的概念。

液体冷却包括直接冷却和间接冷却。

间接液体冷却法就是液体冷却剂不与电子元件直接接触, 而热量经中间媒介或系统( 一般是液体冷板及其辅助装置, 如液冷模块、导热模块、喷射液冷模块、液冷基板从发热元件传递给液体。

直接液体冷却法( 又称浸入冷却) 是指液体与电子元件直接接触, 由冷却剂吸热并将热量带走, 它适用于热耗体积密度很高或那些必须在高温环境下工作且器件与被冷却表面之间的温度梯度又很小的部件以及高度封装或大功率电子器件的2- D或3-D封装。

例如,对高速计算机的冷却而言更加实用。

通常浸入冷却是把电子器件直接浸在氟化烃溶液中, 利用它进行直接冷却。

Kishio Yo kouchi等人曾提出了一种低冷直接浸入冷却方法, 该方法不仅可以防止气泡聚集在组件顶端产生气泡层而影响产热效果, 而且可以大大地提高组件的冷却效果。

此外, Hrishikesh Panchaw agh 提出了一种振动诱导雾化冷却系统, 这是一种液滴冷却技术。

其特点是: 使用电介质冷却液作为工作介质; 通过控制液滴直径和频率来控制冷却功率; 内部可以集成控制的软件, 可以被用来冷却芯片。

1. 4 制冷方式的散热或冷却方法制冷从客观上讲, 就是给高温热源提供一个连续低温的热源,使其温度得到控制。

从制冷的方式来讲,在电子器件中采用主要有利用制冷剂相变制冷和Peltier效应制冷。

1. 4. 1 制冷剂的相变冷却这是利用制冷剂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。

一般所说的相变冷却主要指制冷剂蒸发从环境吸热, 其包括两种情况: 容积沸腾( 静止液体沸腾, 又叫池沸腾) 和流动沸腾。

IBM公司曾研制出采用浸渍式池状沸腾冷却方案的液体封装组件( LEM),它的换热系数可很高达1700 ～5700 W/ m2·K,组件的热耗量达300W。

然而, 对于相变冷却的应用, 还有一些技术问题尚待解决, 特别是流动沸腾。

在某些情况下, 深冷技术也在电子元器件冷却方面发挥了重要的作用。

如ET A 大型计算机就是使用了深冷技术。

对于某些大功率巨型计算机系统,其芯片的冷却也可以采用了循环效率较高的蒸汽压缩式制冷装置。

这种方法的优点是制冷量及制冷温度范围方面均比较宽广,机器设备结构紧凑,循环效率高。

1. 4. 2 Peltier制冷用制冷的方式来散热或冷却常规的电子元器件, 制冷装置体积小、质量轻、安装和拆卸要方便往往是首要考虑的因素, 而小型的半导体制冷就符合这样的要求。

半导体制冷又称热电制冷, 是利用半导体材料的Pelt ier效应。

当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时, 在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量, 可以实现制冷的目的。

它是一种产生负热阻的制冷技术, 其特点是无运动件, 可靠性也比较高, 主要缺点是效率较低、成本高, 只适用于体积紧凑、制冷要求不高等特殊场合。

其散热温度≤100℃;冷却负载≤300W。

1. 5 散热或冷却过程中的能量疏导这里的疏导是指用一种传递热量的传热元件,将电子器件所散发出的热量传递到另外一个地方集中或更高效地向的环境散热。

随着电子电路集成化程度越来越高,各种大功率电子器件容量的逐渐增加, 电子器件或装置物理尺寸越来越小, 这就要求散热装置本身必须具有良好的散热条件。

同时,散热装置的布置和设计遇到的约束也越来越严重。

以微电子芯片为例,目前一般已达到60～90 W/ cm2 , 最高已达200 W/ cm2。

传统的强制风冷只能用于热流密度不大于10 W/ cm2 ,对于这种情况已显得无能为力, 而进一步提高扩展散热面往往受当地空间的限制。

由于热管技术具有极高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、流动方向的可逆性、恒温特性( 可控热管) 和良好的环境适应性等优点, 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。

而且近些年来热管技术已在电气设备、电子元器件冷却、半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面成功地取得了很多应用成果。

由Staio Y, Mochizuki M等人提出在笔记本电脑中引入热管技术给CPU 散热。

他提出了两种散热方式, 一是铰链式散热, 其散热功率可达到10 W;另一种是强制散热在笔记本电脑中的应用, 其散热功率可达12 W。

然而, 对台式电脑、服务器、工作站中的CPU 需要散热的功率可达50～100 W,单个的热管已不能完成散热任务。

为此, Fujikura公司开发了一种称之为“仙人掌”式的热管, 其散热效果与冷风的流速是相关的, CPU 的功耗为80 W, 在风速为2. 5 m/ s情况下, 其热阻为0. 5℃/W。

对常规大功率半导体元件如二极管、可控硅整流器、大规模集成芯片的冷却常规的挤压成形的翅片铝板散热器在散热量达到1000 W以上时,铝板的受热受收到了限制, 而实践表明热管散热其在这方面有着无可比拟的优势,与铝板散热器相比, 其不但重量可减轻50%,而且还可以节省60% 的有用空间。

热管是一种高效率利用相变传热的热传导器,其热阻可以达到每瓦千分之一摄氏度,传热量可以超过50千瓦。

1984年在第五届国际热管会议上,T . P. Cot ter 等人提出微型热管和小型热管( MHP)的理论及展望, 从而引起了热管在电子元器件散热方面的广泛应用。

一般来说,必须按每种用途对热管单独进行设计,特别注意的是热管的毛细管抽吸作用受重力和外力的影响。

热管的最大问题是由于其制造材料、工艺、管内洁净度等问题会导致一段时间后传热性能下降,所以要严格控制其产品质量,进行老化试验同时必须对被冷却的器件进行温度监控。

1. 6 热隔离方法热隔离即传热学中的绝热技术在电子元器件散热和冷却方面的应用。