1引言

現(xiàn)代功率電子設(shè)備正在迅速地向高集成度?高密度組裝?高運(yùn)行速度方向發(fā)展?作為功率電子設(shè)備核心的芯片,工作的主頻越來(lái)越快,消耗的功耗越來(lái)越大,發(fā)出的熱量也越來(lái)越多?若器件的散熱能力不強(qiáng),則功率的耗散就會(huì)造成器件內(nèi)部芯片有源區(qū)溫度上升及結(jié)溫升高?

元器件的失效率與其結(jié)溫成指數(shù)關(guān)系,性能則隨結(jié)溫升高而降低?器件的工作溫度每升高10℃,其失效率增加1倍?

因此,為了提高功率電子設(shè)備的工作性能和可靠性,對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì),采取合理的外部散熱措施,顯得更加必要和迫切?本文介紹了用于功率電子設(shè)備的風(fēng)冷?水冷?微管道散熱器?熱管技術(shù)等散熱技術(shù),闡述了各種散熱技術(shù)的原理和特點(diǎn),簡(jiǎn)要介紹了最新的國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果?

2功率電子常用散熱技術(shù)

目前功率電子設(shè)備常用的散熱技術(shù)有風(fēng)冷?水冷?微管道散熱器?熱管技術(shù)等?

2.1風(fēng)冷

圖1是風(fēng)冷散熱器的示意圖?利用風(fēng)冷散熱器對(duì)電子芯片進(jìn)行冷卻是最簡(jiǎn)單?最直接?成本最低的散熱方式?一般來(lái)說,空氣冷卻或強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)大多應(yīng)用在低功耗或中等功耗的器件或電子設(shè)備中?目前,采用先進(jìn)風(fēng)扇和優(yōu)化大面積熱沉,空氣冷卻技術(shù)的冷卻能力可達(dá)50W·cm^-2?風(fēng)冷散熱器的原理很簡(jiǎn)單:芯片耗散的熱量通過粘結(jié)材料傳導(dǎo)到金屬底座上,再傳導(dǎo)到散熱片上,通過自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流把熱量散發(fā)到空氣中?傳導(dǎo)和對(duì)流是兩種主要的傳熱方式?要在允許的溫度條件下將芯片耗散的熱量傳遞到大氣環(huán)境,可以采取下列方法加強(qiáng)傳導(dǎo)和對(duì)流散熱?

2.1.1采用導(dǎo)熱性能好的材料作散熱器

在常見的金屬中,銀的導(dǎo)熱系數(shù)最高,但是它的價(jià)格著實(shí)不菲?現(xiàn)在常用的散熱器材料主要是鋁和銅?鋁價(jià)格便宜,密度小,好加工,導(dǎo)熱性能良好?相比較而言,銅的導(dǎo)熱系數(shù)比鋁的大,許多散熱能力超強(qiáng)的散熱器均采用純銅打造?但銅材料價(jià)格昂貴?易氧化,加工成本高?目前出現(xiàn)銅鋁復(fù)合型散熱器,即底部為銅,散熱片為鋁,具有良好的散熱性能和經(jīng)濟(jì)性?

2.1.2增大散熱器的散熱面積

散熱面積越大的散熱器,其熱容量越大?散熱器的肋片越多,其散熱表面積越大,這樣熱量可以散發(fā)得更快?不同的肋片高度和肋間距決定了對(duì)流面的面積,是影響散熱器換熱效果的重要因素?肋片的布局關(guān)系到散熱器內(nèi)氣流組織?換熱系數(shù)以及應(yīng)用特點(diǎn)?為了提高換熱系數(shù),可以采用波紋狀肋面制造紊流?

余小玲等針對(duì)平板翅片式散熱器存在的不足,提出了一種翅片間設(shè)有釘柱的翅柱復(fù)合型散熱器?釘柱能夠使通過該散熱器的氣流受到擾動(dòng),從而提高其散熱性能?在相同的風(fēng)速下,翅柱式散熱器表面的Nusselt數(shù)比板翅式散熱器高30%~45%;在相同的泵送功率下,翅柱式散熱器的收益因子比板翅式散熱器約高20%?因此,在相同的工況下,翅柱式散熱器具有更好的散熱性能,并具有可靠性高?使用成本低的優(yōu)點(diǎn),在電子設(shè)備的冷卻中具有較高的使用價(jià)值?

2.1.3強(qiáng)迫風(fēng)冷

選擇合適的風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī),加快散熱片周圍空氣的流動(dòng),可以改善氣流組織,提高對(duì)流換熱系數(shù),從而改善散熱效果?

國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者對(duì)風(fēng)冷散熱器進(jìn)行了研究?Malhammer研究了在給定芯片表面與環(huán)境的溫差及流速條件下,散熱器的散熱量隨肋間距的變化,并對(duì)不同流速下散熱器的散熱量進(jìn)行了比較,研究了在給定芯片表面與環(huán)境的溫差?流速及肋片厚度條件下,散熱器散熱量隨肋間距的變化,對(duì)不同肋片厚度的散熱器的散熱量進(jìn)行比較?蔣長(zhǎng)順等用CFD軟件模擬了具有平板型熱沉的三維多芯片組件的熱量傳遞過程和溫度分布,得出空氣流速?熱沉肋片數(shù)對(duì)芯片最高結(jié)點(diǎn)溫度的影響?對(duì)一定的熱沉結(jié)構(gòu),在強(qiáng)制對(duì)流時(shí),增大流體速度,在某一速率范圍,熱交換率隨流速增大的變化比較明顯,芯片結(jié)點(diǎn)溫度下降得比較快,隨著流體速度的進(jìn)一步增大,對(duì)改善其熱性能的作用會(huì)減小?肋片的厚度為常數(shù),隨肋片數(shù)增多,熱沉與流體的接觸面積增大,提高了熱沉表面的熱交換系數(shù),更多的熱量可以由空氣流體散發(fā)到環(huán)境中,可以顯著地減小芯片的最高結(jié)溫?

2.2水冷

水冷又稱為液冷?它的散熱效率高,熱傳導(dǎo)率為傳統(tǒng)風(fēng)冷方式的20倍以上,且無(wú)風(fēng)冷散熱的高噪音,能較好地解決降溫和降噪問題?水冷散熱裝置大致可分為微型水泵?循環(huán)管?吸熱盒和散熱片四個(gè)部分?水冷散熱的原理非常簡(jiǎn)單,如圖2所示?水冷散熱是一個(gè)密閉的液體循環(huán)裝置,通過泵產(chǎn)生的動(dòng)力,推動(dòng)密閉系統(tǒng)中的液體循環(huán),將吸熱盒吸收的芯片產(chǎn)生的熱量,通過液體的循環(huán),帶到面積更大的散熱裝置,進(jìn)行散熱?冷卻后的液體再次回流到吸熱設(shè)備,如此循環(huán)往復(fù)?

吸熱盒和散熱片設(shè)計(jì)上多采用銅?鋁或銅鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)?在吸熱盒的設(shè)計(jì)中,流體與吸熱盒之間的吸熱盒壁應(yīng)盡量薄,在吸熱盒平行于加熱片的剖面上,冷卻液與吸熱盒間隔壁面積之比應(yīng)盡量大,加大傳熱面積?為了減小吸熱盒與芯片間的接觸熱阻,一方面盡量提高吸熱盒底面表面光潔度;另一方面在接觸面之間涂以導(dǎo)熱硅脂,安放吸熱盒時(shí)逐漸與芯片接觸,避免接觸面之間留存空氣?選擇冷卻液時(shí),必須對(duì)冷卻液的熱傳遞能力?冰點(diǎn)和黏度?沸點(diǎn)和分解溫度?絕緣性能?腐蝕性?可燃性?毒性?費(fèi)用等加以考慮?常用冷卻液有水?乙二醇溶液?鹽水?硅油等?

曾平等通過實(shí)驗(yàn)的方式,測(cè)試了以壓電泵為動(dòng)力源的水冷系統(tǒng)內(nèi)部流量?風(fēng)扇?組成水冷系統(tǒng)的各部件及冷卻液性能對(duì)芯片散熱效果的影響規(guī)律,提出了吸熱盒?散熱器的設(shè)計(jì)原則?此種散熱器相對(duì)風(fēng)冷散熱器,能使芯片更快地達(dá)到平衡溫度,且平衡溫度較低?楊雙根等對(duì)某大功率組件進(jìn)行了細(xì)致的熱分析,設(shè)計(jì)了液冷組件,在Q=2.5L·min^-1時(shí),模型中的流道設(shè)計(jì)能滿足熱設(shè)計(jì)指標(biāo),此時(shí)的壓力損失也較小,符合某固態(tài)組件的熱設(shè)計(jì)要求?張旭對(duì)某超級(jí)計(jì)算機(jī)的液冷系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),選用去離子蒸餾水加鋁?銅緩蝕劑及消泡劑作為冷卻液,確定系統(tǒng)進(jìn)水溫度為15℃,冷板由LF21防銹鋁和防銹鋁復(fù)合板高溫釬焊而成,闡述了液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則?方法及工程實(shí)施過程?

2.3微管道散熱器

微管道由于具有很高的傳熱系數(shù),可利用其設(shè)計(jì)電子芯片內(nèi)部冷卻用的水冷式散熱器?Tuekerman和Pease首次將微管道刻蝕在VLSI硅芯片的背部并在其頂部裝上蓋板,冷卻液則密封在微管道內(nèi),并以此來(lái)構(gòu)造一種新型的微管道散熱器?他們的實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)水的流量為10cm3·s^-1,水的溫升為71℃時(shí),冷卻熱流可高達(dá)790W·cm^-2?這一冷卻能力大大超過了目前已知的常規(guī)冷卻手段所能達(dá)到的水平,因而在芯片冷卻應(yīng)用上,作為高效緊湊型換熱器或冷卻裝置極具優(yōu)勢(shì)?

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)微管道散熱器進(jìn)行了研究?Vijay通過一系列假設(shè)?簡(jiǎn)化后,得到了一個(gè)可描述微管道散熱器中對(duì)流傳熱問題的準(zhǔn)二維非線性微分方程?通過求解該方程,即可得出具有最小散熱器熱阻的微管道優(yōu)化尺寸?在散熱器底部的熱載荷均勻分布的條件下,Weisberg等人用共扼法分別分析了微管道散熱器中硅襯底表面與微管道內(nèi)流體的溫度場(chǎng)分布,并在此基礎(chǔ)上提出了一種微管道幾何尺寸的優(yōu)化算法?Leng利用商用的FLUENT軟件分析了微管道中的傳熱和流動(dòng)問題,給出了當(dāng)散熱器總熱阻被表達(dá)為冷卻液流量的函數(shù)時(shí),微管道?翅片及襯底三者的幾何參數(shù)對(duì)總熱阻的影響?董濤等針對(duì)微管道下壁上的熱載荷處于均勻分布和非均勻分布兩種情況時(shí),分別使用有限元方法對(duì)微管道散熱器中的管道表面溫度?流體溫度及總熱阻進(jìn)行計(jì)算?陳運(yùn)生等人設(shè)計(jì)?加工出了一種電子芯片冷卻用的硅制分形微管道網(wǎng)絡(luò)散熱器?在給出分形微管道網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造過程的基礎(chǔ)上,探討了分形微管道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部微流體的換熱與壓降特性,理論推算和實(shí)驗(yàn)研究表明分形微管道網(wǎng)絡(luò)散熱器比傳統(tǒng)的平行微管道陣列型散熱器具有更優(yōu)的傳熱性能?趙增會(huì)和余建祖設(shè)計(jì)制作了6種不同結(jié)構(gòu)尺寸的微矩形槽道,采用乙醇溶液作為冷卻工質(zhì),進(jìn)行了微槽道內(nèi)單相強(qiáng)迫對(duì)流換熱性能實(shí)驗(yàn),分析了流體流速?過冷度和微槽結(jié)構(gòu)等對(duì)傳熱特性的影響?徐德好通過對(duì)系列尺寸微通道冷板進(jìn)行分析比較以及試驗(yàn)驗(yàn)證,得到了微通道冷板基礎(chǔ)性的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)并得到如下結(jié)論:通道寬度同換熱性能密切相關(guān),隨著通道寬度尺寸的縮小,換熱系數(shù)增大?微通道冷板的設(shè)計(jì)中,通道占空比對(duì)換熱性能有較大影響,若不計(jì)冷板體積的影響,微通道冷板中槽道的高寬比越大,換熱性能越好?楊冬梅和徐德好通過試驗(yàn)驗(yàn)證比較了微通道冷板和常規(guī)冷板的流阻性能和換熱性能的差異?微通道冷板的流阻特性相對(duì)常規(guī)蛇形冷板要差一些,但微通道冷板比常規(guī)蛇形冷板具有更加優(yōu)異的換熱性能?對(duì)于相同的壓降,微通道冷板的換熱性能比常規(guī)冷板高很多?這樣,采用微通道冷板可以節(jié)約冷卻液資源,亦為冷卻系統(tǒng)的流量分配減輕了壓力?

2.4熱管技術(shù)

熱管是一種傳熱效率極高的換熱元件,冷?熱流體間的熱量傳遞是靠熱管內(nèi)工作介質(zhì)蒸發(fā)和冷凝的相變過程耦合在一起的,它的當(dāng)量熱導(dǎo)率可達(dá)金屬的103~104倍?與傳統(tǒng)散熱設(shè)備相比,熱管無(wú)需消耗動(dòng)力?空間尺寸小?冷卻能力高,單位面積的傳熱量高?熱管作為一種高效的導(dǎo)熱元件,適合高熱流密度情況下的散熱,正可用于電子元件以獲得高的熱量導(dǎo)出率?目前已知的用于大功率電子元件散熱的熱管式散熱器最高散熱功率已達(dá)到200W·cm^-2?

出于為電子器件冷卻的目的,Cotter在1984年提出“微型熱管”的概念以來(lái),微型熱管的結(jié)構(gòu),經(jīng)歷了重力型?具有毛細(xì)芯的單根熱管,到具有一簇平行獨(dú)立微槽道的平板熱管,進(jìn)而發(fā)展到內(nèi)部槽道簇之間通過蒸汽空間相互連通的形式?

單根熱管的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示,它由管殼?毛細(xì)多孔材料?工作液體和散熱片組成?將管內(nèi)空氣排除形成真空使填滿毛細(xì)材料中的微孔充滿液體并加以密封?當(dāng)蒸發(fā)段受熱時(shí)毛細(xì)材料中的液體蒸發(fā),通過絕熱段流向冷凝段,蒸汽受到冷卻凝結(jié)成液體,液體沿多孔材料靠毛細(xì)材料力的作用流回到蒸發(fā)段,如此循環(huán),熱量由熱管殼傳至熱管芯,管芯再傳給工質(zhì),工質(zhì)再傳給冷凝段,冷凝段通過冷凝作用再把熱量散發(fā)出去?

微槽平板熱管的典型結(jié)構(gòu)如圖4所示?在矩形金屬平板內(nèi)開出軸向的內(nèi)腔,在內(nèi)腔的一側(cè)軸向加工出若干個(gè)微型槽道,將適量的工質(zhì)充入具有一定真空度的熱管內(nèi)腔中并將兩端密封?槽道上部是連通的蒸汽腔?當(dāng)蒸發(fā)段受熱時(shí)微槽中的工質(zhì)蒸發(fā),通過絕熱段流向冷凝段,蒸汽受到冷卻凝結(jié)成液體,液體沿微型槽道靠毛細(xì)力的作用流回到蒸發(fā)段,如此循環(huán),熱量由熱管殼傳至工質(zhì),工質(zhì)再傳給冷凝段,冷凝段通過冷凝作用把熱量散發(fā)出去?

近十幾年來(lái),微熱管技術(shù)用于冷卻電子元器件得到了很大的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者進(jìn)行了研究?陶漢中等利用ANSYS軟件對(duì)某高速芯片模塊的熱管散熱器進(jìn)行仿真熱分析,得出了相應(yīng)的溫度場(chǎng)分布圖和熱流密度分布圖?結(jié)果表明:熱管散熱器能有效地降低高速芯片模塊在使用時(shí)的溫度,增加系統(tǒng)的可靠性,是高速芯片模塊散熱的一種新方法?殷際英對(duì)一種熱管式散熱器的傳熱機(jī)理?傳熱路線和各傳熱階段的熱阻進(jìn)行了定性分析和定量分析,設(shè)計(jì)了原理結(jié)構(gòu),建立了傳熱模型,導(dǎo)出了總傳熱系數(shù)的計(jì)算式,并給出了該熱管散熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例?Plesch等人和Cao等人對(duì)幾種小深寬比的微槽平板熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,證實(shí)了此種熱管較好的傳熱能力?Hopkins等人對(duì)3個(gè)幾何結(jié)構(gòu)尺寸不同?槽道在整個(gè)內(nèi)壁面分布的銅水微型熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,認(rèn)為大深寬比的槽道使熱管具有更好的傳熱性能?張麗春等用不銹鋼?無(wú)氧銅兩種殼體,加工出具有相互連通的蒸汽通道的矩形微槽道平板熱管,對(duì)它們的傳熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,分析了熱管充液率?工作溫度?傾角?冷卻方式等多種因素對(duì)熱管性能的影響,確定了熱管最佳充液率的范圍?范春利等對(duì)三種微槽平板熱管的傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了充液率?工質(zhì)的種類?槽道形狀對(duì)微槽平板熱管傳熱性能的影響?得到了深槽平板熱管的最優(yōu)充液率范圍,證明了深槽平板熱管具有更加優(yōu)良的傳熱性能?范春利等系統(tǒng)地研究了小充液率條件下重力對(duì)微槽平板熱管傳熱性能的影響,分析了工作溫度?冷卻方式等影響因素,發(fā)現(xiàn)重力對(duì)熱管徑向液膜的分布影響比較小,而對(duì)軸向的影響比較明顯,從而使得傾角較大地影響了熱管的傳熱能力?進(jìn)一步證明了深槽平板熱管具有良好的傳熱性能?胡學(xué)功等利用微槽群蒸發(fā)型熱沉技術(shù),設(shè)計(jì)了一種新穎的用于電子芯片散熱的微槽群蒸發(fā)器,對(duì)影響微槽群蒸發(fā)器散熱性能的各種因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究?Ponnappan設(shè)計(jì)?制造一種新型的銅-水微型熱管,此熱管的毛細(xì)芯是用一種金屬薄膜折疊而成,制作非常方便?對(duì)它的傳熱性能進(jìn)行檢測(cè),并與文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比?Gillot等人推薦使用矩形微槽平板熱管為芯片散熱,制造并檢測(cè)了矩形微槽平板熱管的傳熱性能,并研究了充液率?加熱功率等影響因素?

3結(jié)論

風(fēng)冷散熱是最簡(jiǎn)單?最直接?成本最低的散熱方式,一般應(yīng)用在低功耗或中等功耗的器件或電子設(shè)備中?目前,空氣冷卻技術(shù)的冷卻能力可達(dá)50W·cm^-2?水冷散熱效率高,熱傳導(dǎo)率為傳統(tǒng)風(fēng)冷方式的20倍以上,且無(wú)風(fēng)冷散熱的高噪音,能較好地解決降溫和降噪問題?微管道由于具有很高的傳熱系數(shù),可利用其設(shè)計(jì)電子芯片內(nèi)部冷卻用的水冷式散熱器?熱管是一種傳熱效率極高的換熱元件,它的當(dāng)量熱導(dǎo)率可達(dá)金屬的103~104倍?和傳統(tǒng)散熱設(shè)備相比,熱管無(wú)需消耗動(dòng)力?空間尺寸小?冷卻能力高,單位面積的傳熱量高?

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