散热器高效散热关键技术及应用研究应用阚宏伟.doc

散热器高效散热技术及应用研究

摘要：随着电子技术发展,使得电子器件热流密度不断增长,这样势必对电子器有更高散热规定,因而有效地解决散热问题已成为电子设备必要解决核心技术。针对当代电子设备所面临散热问题,就散热基本原理以及各种主流散热技术，涉及自然对流散、强制风冷散热、液体冷却、热管、微槽道冷却、集成热路、热电致冷等惯用电子设备散热技术及某些前沿研究现状、发展趋势及存在问题分别予以阐述。

核心词：热传递 自然对流 强制风冷 热管散热 热电制冷

引言：据记录,55%电子设备失效是由温度过高引起。可见,电子设备重要故障形式为过热损坏,因而对电子设备进行有效散热是提高产品可靠性核心。电子设备重要散热技术电子设备高效散热问题与传热学(涉及热传导、对流和热辐射)和流体力学(涉及质量、动量和能量守恒三大定律)等原理应用密切有关。

一：热传递重要有三种方式：
传导 ：物质自身或当物质与物质接触时，能量传递就被称为热传导，这是最普遍一种热传递方式，由能量较低粒子和能量较高粒子直接接触碰撞来传递能量。相对而言，热传导方式局限于固体和液体，由于气体分子构成并不是很紧密，它们之间能量传递被称为热扩散。
热传导基本公式为“Q=K×A×ΔT/ΔL”。其中Q代表为热量，也就是热传导所产生或传导热量；K为材料热传导系数，热传导系数类似比热，但是又与比热有某些差别，热传导系数与比热成反比，热传导系数越高，其比热数值也就越低。举例阐明，纯铜热传导系数为396.4，而其比热则为0.39；公式中A代表传热面积(或是两物体接触面积)、ΔT代表两端温度差；ΔL则是两端距离。因而，从公式咱们就可以发现，热量传递大小同热传导系数、热传热面积成正比，同距离成反比。热传递系数越高、热传递面积越大，传播距离越短，那么热传导能量就越高，也就越容易带走热量。
对流 ：对流指是流体(气体或液体)与固体表面接触，导致流体从固体表面将热带走热传递方式。
详细应用到实际来看，热对流又有两种不同状况，即：自然对流和强制对流。自然对流指是流体运动，成因是温度差，温度高流体密度较低，因而质量轻，相对就会向上运动。相反地，温度低流体，密度高，因而向下运动，这种热传递是由于流体受热之后，或者说存在温度差之后，产生了热传递动力；强制对流则是流体受外在强制驱动（如电扇带动空气流动）,驱动力向什么地方，流体就向什么地方运动，因而这种热对流更有效率和可指向性。
热对流公式为“Q=H×A×ΔT”。公式中Q仍旧代表热量，也就是热对流所带走热量；H为热对流系数值，A则代表热对流有效接触面积；ΔT代表固体表面与区域流体之间温度差。因而热对流传递中，热量传递数量同热对流系数、有效接触面积和温度差成正比关系；热对流系数越高、有效接触面积越大、温度差越高，所能带走热量也就越多。
辐射 ：热辐射是一种可以在没有任何介质状况下，不需要接触，就可以发生热互换传递方式，也就是说，热辐射其实就是以波形式达到热互换目。
既然热辐射是通过波来进行传递，那么势必就会有波长、有频率。不通过介质传递就需要物体热吸取率来决定传递效率了，这里就存在一种热辐射系数，其值介于0～1之间，是属于物体表面特性，而刚体热传导系数则是物体材料特性。普通热辐射热传导公式为“Q =E×S×F×Δ(Ta－Tb)”。公式中Q代表热辐射所互换能力，E是物体表面热辐射系数。在实际中，当物质为金属且表面光洁状况下，热辐射系数比较小，而把金属表面进行解决后（例如着色）其表面热辐射系数值就会提高。塑料或非金属类热辐射系数值大某些都比较高。S是物体表面积，F则是辐射热互换角度和表面函数关系，但这里这个函数比较难以解释。Δ(Ta－Tb)则是表面a温度同表面b之间温度差。因而热辐射系数、物体表面积大小以及温度差之间都存在正比关系。
任何散热器也都会同步使用以上三种热传递方式，只是侧重有所不同。以CPU散热为例，热由CPU工作不断地散发出来，通过与其核心紧密接触散热片底座以传导方式传递到散热片，然后，到达散热片热量，再通过其她方式如电扇吹动将热量送走。整个散热过程涉及4个环节：第一是CPU，是热源产生者；第二是散热片，是热传导体；第三是电扇，是增长热传导和指向热传导媒介；第四就是空气，这是热互换最后流向。
普通说来，依照从散热器带走热量方式，可以将散热器分为积极式散热和被动式散热。所谓被动式散热，是指通过散热片将热源如CPU产生热量自然散发到空气中，其散热效果与散热片大小成正比，但由于是自然散发热量，效果固然大打折扣，常惯用在那些对空间没有规定设备中，或者用于为发热量不大部件散热，如某些普及型主板在北桥上也采用被动式散热。对于个人使用PC机来说，绝大多数采用积极式散热方式，积极式散热就是通过电扇等散热设备逼迫性地将散热片发出热量带走，其特点是散热效率高，并且设备体积小
二：电子设备散热技术及发展趋势作一概述。
1．自然对流散热
这是最典型、最以便办法,是运用设备中各个元器件空隙以及机壳热传导、对流和辐射来达到散热目。这种办法合用对温度控制规定不高,器件发热热流密度不大低功耗电子器件和部件,以及密封或密集组装器件不适当采用其她散热办法状况下。这种技术长处是构造简朴,成本低,安全可靠;没有噪声和震动。缺陷是热阻大,传热性能差。
2.　强制风冷散热
这是依托电扇(常用有离心式、轴流式、螺旋桨式)等迫使器件周边空气流动,从而将器件散发出热量带走而达到散热目办法。资料表白:当器件发热密度不不大于0. 155 W /cm2时,用对流、辐射、传导等自然冷却方式就不能有地将热量带走,必要采用逼迫风冷。强制风冷散热重要是对流换热。依照传热学原理,对流换过程满足牛顿冷却公式P=α △ T,而散热器散热效果用热阻RT表达,RT=△ T /P。比较两可得出RT= 1 /(αA)因而,提高散热效果途径有:(1)增长散热器散热面积A,可通过加大散热器尺寸或增长散热器肋片数量来实现,但受到装置体积和质量限制;(2)提高换热系数α,可采用大尺寸和高转速风机提高空气流动速度,从而提高α,但这需要增长成本,使噪声增大,寿命下降;(3)通过合理风道设计,在散热器前加入扰流片引入紊流,增长局部对流,可以加强换热,提高散热效果。实验证明,合理风道设计可使热阻减少10%～ 20%。温升减少5℃ ～ 10℃ 。几乎所有台式或采用机柜安装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换热量比自然对流和辐射要大到10倍。但由于需要增长风机或泵,使得成本增长,噪声变大,运营可靠性较低。当前有许多科学家致力于改进强制风冷技术并获得了重大突破。典型有乔冶亚理工大学封装研究中心研制重要为冷却单芯片和多芯片组件微喷冷却技术,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水平,它风冷能力超过10W /cm2。另一种先进技术为射流冷却,采用这种技术器件芯片热流密度可达100W /cm2。射流冷却时流体沿芯片法向冲击传热表面,冲击处速度和温度边界层很薄,因而具备很高传热率来达到冷却规定。
3. 液体冷却
强制冷却除了强制风冷外,尚有强制液冷,它是对大热流密度芯片所采用一种散热方式,涉及直接冷却和间接冷却。直接液体冷却又称浸入冷却,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,运用它直接冷却。KishioYoKouchi等人曾提出一种低冷直接浸入冷却办法,它可防止气泡汇集在组件顶端产气愤泡层而影响产热效果,同步也相应提高组件冷却效果。直接液冷实验效果可达800W /cm2[5]。由于直接液体冷却存在热滞后引起热激波现象以及系统维护不以便等因素,现已逐渐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)、液冷基板(LCS)等,这种液体冷板起支撑和热互换双重作用。
近年来,发展了某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,它原理与空气射流冷却原理基本相似,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。为此,发展了喷淋冷却技术。喷淋冷却液滴是直接作用到更大区域,这样芯片温度分布更趋一致,冷却效果更高,因而被以为是最有效率、最有前景冷却方式之一。国外已出当前电子设备中热流密度500 W /cm2芯片应用液体喷淋冷却技术研究成果。保持在极端环境下其温度不大于75℃ ,采用冷却液是FC -72[6]。
另一种液体冷却方式为相变冷却,指运用制冷发生相变时大量吸取热量特性,在特定场合下对电子器件进行冷却。它涉及两种状况:容积沸腾(静止液体沸腾或池沸腾)和流动沸腾。容积沸腾是运用去离子液体相变冷却散热,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对流沸腾传热,热流密度可达100W /cm2。
4.　热管散热技术
热管技术来源于20世纪60年代,由于它具备极高导热性,优良等温性,热流密度可变性,流动方向可逆性,恒温特性及环境适应性等长处,可以满足电子电气设备对散热装置紧凑、可靠控制灵活、高散热效率等规定[7],因而,热管在电子设备散热技术领域获得了广泛应用。
热管工作原理为:液体工质在蒸发段被热流加热蒸发,其蒸气通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凝结液借助吸液芯毛细力作用,返回到加热段再吸热蒸发。它整个过程是在没有外部动力,没有机械运动零件,没有噪声状况下完毕,设计简朴有效,传热能力大,导热系数大。使用时,其一端可以连接各种发热部件,另一端可连接散热器、机壳其她冷却器件,散热效果十分抱负。当前热管技术在电子设备热控制中代表性应用首推电脑内芯片散热冷却。如由Staio Y,Mo-chizukiM等人应用热管技术对笔记本电脑CPU散热,并提出了两种方案:一是铰链式散热,即一方面用一根热管传至显示屏与盒体连接铰链块上,另一根热管将第一根热管传至铰链块上热量传至显示屏背后铝板,其散热功率可达到10W,另一种是强制对流散热,即将CPU热量传至一块铝板上,铝板上装有扁平微型热管,扁平热管将铝板热量传递到带有诸多薄肋片铝板散热器上,在散热器前装一种微型电扇,将热量排除到环境中去,其散热功率达到12W。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规定,为此,Fujikura公司开发出称为“仙人掌”式热管,这种热管散热效果与冷风流速关于,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热管,可用于主频200MHz以上芯片散热。自从1988年TPCotter在日本举办第五届国际热管会议上提出微型热管理论及展望,引起了微热管在电子器件散热方面广泛应用。微热管是由密闭容器、毛细构造与工作流体构成。容器抽成真空后,流入适量工作流体,然后密封,工作流体在容器内维持饱和状态,一旦容器一端受热,工作流体吸热汽化,所产生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。加州大学洛杉矶分校散热热设计方案就综合运用了微喷管和微热管来增强散热性能[8]。值得注意是,热管由于其制造材料、工艺、管内干净度等因素会导致使用一段时间后传热性能下降,因而要严格控制热管产品质量,进行老化实验,同步,必要对被冷却器件进行温度监控。
5.　微槽道冷却
微槽道散热器是在很薄硅片金属或其她适当基片上,用光刻、蚀刻及精准切削等办法加工成截面尺寸仅有几十到上百微米槽道,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换热介质进行换热[9]。这种散热器最早是由Tucker-man和Pease于1981年提出,并从理论上证明了水冷却微槽道散热能力可达1 000W /cm2。 20世纪90年代以来,美国某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等大公司合伙,开始了微细尺度下摸索性研究工作,特别微尺度传热介质理论和实验研究。当前,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,该领域尚无系统机理与理论研究,许多问题如低雷诺数下微流体流动问题及边界条件及连体动力学有特性热流分析都值得探讨。
6.　集成热路
集成热路名称是为相应于集成电路,事实上是一种模块化微机械硅散热系统,由微通道冷凝器、微泵驱动、微喷射蒸发器构成,能有效地解决集成电路及其电路器件散热问题。当前,用于电力电子器件(如IGBT)大功率集成热路,规定散热能力为600W /cm2,已有研究者理论计算出散热能力可达1 000W /cm2。
7.　热电致冷
热电致冷又称半导体致冷,它理论根据是运用半导体材料(如Bi2Te3)Peltier效应。当直流电通过两种不同半导体材料串联成电偶时,在电偶两端即可分别吸取热量和放出热量,从而实现致冷目[10]。它长处是,构造紧凑,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变化电流大小来调节。它缺陷是效率较低,成本高,它在恒温和功率密度大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核心是克服该制冷器冷量小和制冷系数低局限性,提高该制冷器能效比及其经济性。

小结：随着微电子技术飞速发展,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。为适应电子技术发展需要,电子散热技术也获得了很大进展,当前微型化和小型化高效散热技术已成为各国研究重点,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。随着研究进一步,将出出更多新型散热技术并得到应用。

参照文献:
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