淺談電子設(shè)備散熱技術(shù)發(fā)展范文

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摘要：隨著電子設(shè)備工藝幾何尺寸日益縮小，電子器件也越來(lái)越朝著微型化、集成化以及高頻化的方向進(jìn)行發(fā)展。電路復(fù)雜度、電子設(shè)備熱流密度日趨增加，過(guò)高的溫升必將嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品工作可靠性。由高溫導(dǎo)致的電子器件熱失效問(wèn)題在整個(gè)電子設(shè)備問(wèn)題中所占比例越來(lái)越大，嚴(yán)重影響電子設(shè)備的正常使用。論文從電子設(shè)備的散熱現(xiàn)狀和電子器件的新型散熱方式兩個(gè)角度進(jìn)行分析以及對(duì)相關(guān)的散熱技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)電子設(shè)備的散熱發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞:電子設(shè)備；散熱技術(shù)；熱流密度

1引言

當(dāng)前，熱失效已經(jīng)成為電子設(shè)備的主要失效形式之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備的失效有55%是溫度超過(guò)允許值而引起的［1］。根據(jù)推測(cè)，未來(lái)芯片的熱流密度將與太陽(yáng)表面的熱流密度相當(dāng)。相關(guān)研究表明高溫對(duì)計(jì)算機(jī)芯片性能的影響機(jī)理主要是“電子遷移”現(xiàn)象。高強(qiáng)度的電流會(huì)使得電子具有較大的動(dòng)量，而金屬原子也受到電子流動(dòng)的影響而產(chǎn)生移動(dòng)，移動(dòng)的金屬原子就會(huì)在原本光滑的金屬導(dǎo)線表面到處流竄，從而造成了其表面凹凸不平，對(duì)集成電路內(nèi)部造成永久性的損害［2］。著名的10℃法則指出［3］：電子器件的可靠性與溫度是密切相關(guān)的，當(dāng)溫度為70℃~80℃時(shí)，每上升10℃，其可靠性下降50%。因此，如果不能有效地解決電子器件的散熱問(wèn)題，對(duì)電子設(shè)備的整體性能的影響是非常巨大的。如何通過(guò)熱設(shè)計(jì)使電子設(shè)備在所處的工作環(huán)境條件下以不超過(guò)穩(wěn)定運(yùn)行要求的最高溫度運(yùn)行，保證產(chǎn)品正常運(yùn)行的安全性、長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性，成為了電子設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)中不可忽略的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文以電子設(shè)備的散熱技術(shù)為主要研究方向，介紹電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)原理以及散熱技術(shù)，分析相關(guān)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況，對(duì)電子設(shè)備未來(lái)的散熱技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展需求進(jìn)行了展望。

2散熱技術(shù)現(xiàn)狀

散熱技術(shù)是采取有效措施來(lái)散發(fā)或傳導(dǎo)電子設(shè)備熱量的技術(shù)。熱量一般通過(guò)三種方式進(jìn)行傳遞：熱傳導(dǎo)、熱傳遞以及熱輻射［4］。熱傳導(dǎo)是指相互接觸的物體各部分之間依靠分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)來(lái)傳遞熱量的過(guò)程。熱對(duì)流是指流體流經(jīng)固體時(shí)，流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象，它是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞的，與流體的流量情況密切相關(guān)。輻射傳熱是依靠電磁波輻射實(shí)現(xiàn)的熱量傳遞過(guò)程，是一種非接觸式傳熱，在真空中也能進(jìn)行。通過(guò)散熱設(shè)計(jì)以完成熱量的傳導(dǎo)，是電子設(shè)備設(shè)計(jì)的一個(gè)重要命題。以抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的機(jī)箱散熱為例，抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)組成模塊通過(guò)金屬蓋板和鎖緊裝置把熱量導(dǎo)至機(jī)箱內(nèi)壁，再通過(guò)其他輔助散熱方式將熱量傳導(dǎo)出去。抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)機(jī)箱級(jí)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基本采用可靠性高、成本低、不需要外部驅(qū)動(dòng)裝置的自然冷卻法，因此散熱方式主要為熱傳導(dǎo)和自然對(duì)流方式。抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的整體散熱主要是按如圖1所示的熱量傳遞路徑來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的［5］。從圖1中可以看到，抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的熱量傳遞的路徑主要有兩條，一條是主路徑，另一條是輔路徑。散熱途徑主要通過(guò)主路徑實(shí)現(xiàn)，主路徑的熱阻主線分布成串聯(lián)狀態(tài)。根據(jù)傳導(dǎo)散熱的原理，散熱的效果取決于熱量傳遞路徑上的熱阻，對(duì)路徑上的熱阻進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，主路徑中發(fā)熱器件到蓋板的傳遞熱阻比重大，這個(gè)方面主要是與加工精度及導(dǎo)熱間隙填料傳導(dǎo)率有關(guān)，其中間隙填料傳導(dǎo)系數(shù)低所占的比重比較大，另外電子元器件的設(shè)計(jì)日趨微型化使換熱面積減小，熱量密集度過(guò)高且不易傳遞也是重要的因素，因此可以通過(guò)提高加工精度和使用高傳導(dǎo)系數(shù)的間隙填料的方法提高散熱效果。但同時(shí)這也會(huì)直接造成生產(chǎn)成本的提高，因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中還要結(jié)合應(yīng)用對(duì)成本的要求進(jìn)行綜合考慮［6］。當(dāng)前，電子元件的集成度越來(lái)越大，微型化程度越來(lái)越高，因此電子設(shè)備的散熱技術(shù)也呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展。從散熱技術(shù)上看，電子元件散熱技術(shù)可分為傳統(tǒng)散熱技術(shù)和新型散熱技術(shù)兩種。傳統(tǒng)散熱技術(shù)的特點(diǎn)是技術(shù)成熟，可靠性高，應(yīng)用的范圍廣，但是散熱效果比較普通。而新型散熱技術(shù)則在散熱效率上有了很大的提高，散熱手段先進(jìn)，散熱效果好，但其技術(shù)出現(xiàn)時(shí)間較短，有些地方不夠成熟，可靠性還無(wú)法得到完全的保證，使用范圍目前還比較小。毫無(wú)疑問(wèn)，后者更有利于提高元件的工作性能，但其可靠性可能低于前者，并且可能需要更多的能耗，經(jīng)濟(jì)成本普遍較高。因此在散熱技術(shù)的選擇上，需要綜合考慮散熱效果和經(jīng)濟(jì)成本問(wèn)題。常見(jiàn)的電子設(shè)備散熱技術(shù)主要包括空冷散熱、液冷散熱、熱管散熱，半導(dǎo)體散熱等幾種比較成熟、傳統(tǒng)的散熱方法。空冷散熱技術(shù)主要分為自然對(duì)流散熱和強(qiáng)迫對(duì)流散熱兩種方式，一般利用空氣流動(dòng)來(lái)散熱，加大電子元件周?chē)目諝饬鲃?dòng)，進(jìn)而能夠?qū)β市陀?jì)算機(jī)進(jìn)行散熱處理。液冷散熱技術(shù)的散熱介質(zhì)主要是以去離子水為主，充分利用水的循環(huán)流動(dòng)來(lái)進(jìn)行散熱。液冷散熱分為直接液冷散熱（也即浸入式冷卻）和間接液體散熱。直接液體散熱方式對(duì)元器件的絕緣性、封裝、可靠性等要求較高。美國(guó)3M公司對(duì)浸入式冷卻在元器件和燃料電池等領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用研究，［7］研究表明浸入式冷卻比傳統(tǒng)液體散熱方式更具有優(yōu)勢(shì)。熱管散熱技術(shù)，1965年Cotter首次提出了較完整的熱管理論，奠定了熱管散熱研究的理論基礎(chǔ)，也成為熱管性能分析和熱管設(shè)計(jì)的依據(jù)。這種散熱技術(shù)的原理主要是利用工質(zhì)的相變來(lái)傳導(dǎo)熱量，在熱導(dǎo)能力方面，它甚至比銅都還要高出幾百倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)散熱手段。由于熱管技術(shù)具有極高的導(dǎo)熱性、優(yōu)良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向可逆性、恒溫性、環(huán)境的適應(yīng)性等優(yōu)良特點(diǎn)，可以滿足電子設(shè)備對(duì)散熱裝置緊湊、可靠、控制靈活、高散熱效率、不需要維修等要求，因此熱管散熱技術(shù)在電子設(shè)備領(lǐng)域運(yùn)用開(kāi)來(lái)。半導(dǎo)體散熱技術(shù)，又稱(chēng)之為熱電制冷技術(shù)。該種散熱方式是基于半導(dǎo)體Peltier效應(yīng)誕生而來(lái)，在直流電通過(guò)不同種類(lèi)半導(dǎo)體串聯(lián)組成的電偶時(shí)，電偶兩端會(huì)吸收、釋放熱量，這就可以達(dá)到冷卻的目的。因其制冷片不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒(méi)有污染源，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，工作時(shí)沒(méi)有震動(dòng)、噪音、壽命長(zhǎng)，安裝容易，因此在電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)中被引用。

3新型散熱技術(shù)

傳統(tǒng)散熱方式經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，散熱技術(shù)成熟、可靠、安全，但其散熱能力相對(duì)較差。比如傳統(tǒng)的氣體強(qiáng)迫對(duì)流冷卻，已經(jīng)走到了它散熱能力的極限［8］，特別是在計(jì)算機(jī)運(yùn)行大型軟件時(shí)容易產(chǎn)生熱尖峰現(xiàn)象從而導(dǎo)致死機(jī)的現(xiàn)象。且隨著散熱風(fēng)扇功率的不斷加大，噪聲問(wèn)題也愈顯突出。當(dāng)前，新型電子設(shè)備集合了高性能，微型化和集成化的三大特點(diǎn)，熱流密度越來(lái)越大，常見(jiàn)的散熱手段已經(jīng)不能很好地滿足電子設(shè)備的散熱需求。因此，圍繞著電子設(shè)備的散熱問(wèn)題也產(chǎn)生了許多新的觀點(diǎn)和技術(shù)。

3.1液態(tài)金屬散熱技術(shù)

金屬一般具有遠(yuǎn)高于非金屬材料的熱導(dǎo)率，因而在一些特殊場(chǎng)合具有重要用途。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所劉靜研究員和周一欣研究員于2002年首次提出一種以低熔點(diǎn)金屬或其合金作為流動(dòng)工質(zhì)的計(jì)算機(jī)芯片冷卻方法［9］。這種散熱技術(shù)主要是利用了低熔點(diǎn)的金屬（如Na、K、Li）或其合金（如Pb-Bi）等來(lái)構(gòu)成一種冷卻介質(zhì)，利用這種介質(zhì)的高比熱容、大熱導(dǎo)率、低熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)且具有流動(dòng)性等特性來(lái)現(xiàn)實(shí)給計(jì)算機(jī)芯片散熱的作用。常見(jiàn)的液態(tài)金屬冷卻劑有鈉鉀合金、鉛鉍合金和鎵銦合金等。作為一種同時(shí)兼有高效導(dǎo)熱和對(duì)流散熱特性的技術(shù)，液態(tài)金屬散熱有望成為新一代比較理想的超高功率密度熱傳輸技術(shù)之一，成為未來(lái)電子設(shè)備散熱的主要使用方法之一。

3.2微槽群復(fù)合相變散熱技術(shù)

微槽群復(fù)合相變散熱技術(shù)是在毛細(xì)微槽群復(fù)合相變?nèi)崞鲀?nèi)表面加工許多槽道，形成微槽群結(jié)構(gòu)，利用微細(xì)尺度復(fù)合相變強(qiáng)化換熱機(jī)理，實(shí)現(xiàn)在狹小空間內(nèi)，對(duì)小體積的高熱流密度及大功率器件（如LED燈）的高效率地取熱。這種主要是利用了相變散熱的散熱技術(shù)，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注和研究。從理論上來(lái)看，水冷卻微槽道散熱能力可以達(dá)到1000W/cm2，其導(dǎo)熱能力是鋁基板的10000倍，導(dǎo)熱系數(shù)大于106W/（m•℃），超導(dǎo)熱能力強(qiáng)，同時(shí)具有體積小，重量輕，無(wú)功耗冷卻，可靠性高，成本低等諸多的優(yōu)點(diǎn)。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，美國(guó)一些著名的大學(xué)開(kāi)展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，截止到目前，已經(jīng)取得了突破性的研究進(jìn)展。如國(guó)外的矩形和三角形微槽群相變散熱系統(tǒng)已經(jīng)被設(shè)計(jì)出，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了開(kāi)放式的矩形微槽群相變散熱系統(tǒng)，它們都已經(jīng)在理論和實(shí)驗(yàn)方面取得了較大的發(fā)展。目前，有些學(xué)者還實(shí)現(xiàn)了將它與平板換熱器的結(jié)合，而獲得了更加優(yōu)良的散熱效果。

3.3納米流體散熱技術(shù)

納米流體作為一種新型的高效、高傳熱性能的能量輸運(yùn)工質(zhì)，可有效提高熱系統(tǒng)的傳熱性能，提高熱系統(tǒng)的高效低阻緊湊等性能指標(biāo)，滿足熱系統(tǒng)高負(fù)荷的傳熱冷卻要求，滿足一些特殊條件（微尺度條件）下的強(qiáng)化傳熱要求，在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景和潛在的重大經(jīng)濟(jì)價(jià)值，被稱(chēng)之為未來(lái)的冷卻散熱技術(shù)。研究人員在開(kāi)展納米流體流動(dòng)與強(qiáng)化傳熱的基礎(chǔ)研究的同時(shí)，也在積極探索納米流體技術(shù)的應(yīng)用研究。例如，航天器熱控工質(zhì)的強(qiáng)化散熱，納米流體工質(zhì)熱管、納米流體在微通道中的傳熱強(qiáng)化和納米流體強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程等。近年來(lái)，有許多科學(xué)研究工作者對(duì)納米流體在微型管道中的傳熱性能進(jìn)行了大量的研究，并取得一定的成果。最近，國(guó)外已經(jīng)利用納米流體強(qiáng)化傳熱技術(shù)研制出了微管道散熱器高強(qiáng)度制冷系統(tǒng)，顯示出納米流體在在強(qiáng)化換熱領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景［10］，并為解決計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的熱交換系統(tǒng)的高溫元件冷卻問(wèn)題提供導(dǎo)向作用。

3.4沖擊射流散熱技術(shù)

沖擊射流散熱是一種極其有效的強(qiáng)化傳熱方法，由于其獨(dú)特的換熱作用，近年來(lái)受到工程界學(xué)術(shù)界特別重視，成為傳熱學(xué)的熱門(mén)課題。Robinson［11］等對(duì)比研究了浸沒(méi)射流和自由射流的換熱特性。將沖擊射流與相變傳熱這兩種強(qiáng)化換熱方式結(jié)合到一起，可以處理具有極高熱流密度元器件的散熱問(wèn)題。MYUNGKS［12］等采用自由射流與沸騰換熱相結(jié)合的方式解決熱流密度為1127W/cm2的散熱；JUNGCHULL［13］等研究發(fā)現(xiàn)這種換熱方式熱流密度可達(dá)2900W/cm2至7600W/cm2且散熱體溫度能夠有效控制在25℃~350℃之間。由此可見(jiàn)，該換熱方式換熱能力較高，完全可滿足高熱流密度的散熱需求。但其流程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，沖擊射流的物理本質(zhì)認(rèn)識(shí)還不夠深刻，一些傳熱機(jī)理還有待進(jìn)一步分析。

3.5其他散熱技術(shù)

除了以上應(yīng)用較廣泛或是未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)之外，近年來(lái)一些比較獨(dú)特或者新型的散熱技術(shù)，也是逐步受到國(guó)內(nèi)外研究人員的重視，這些技術(shù)在未來(lái)可能會(huì)成為電子設(shè)備散熱技術(shù)的主流。軟性導(dǎo)熱硅膠絕緣墊散熱技術(shù)，這是一種片狀的材料，易于剪裁，具有良好的導(dǎo)熱能力和絕緣性能，適用于計(jì)算機(jī)、顯示屏等小型輕薄的電子設(shè)備。合成微噴即振動(dòng)制冷技術(shù)，這種CPU散熱技術(shù)主要是利用振動(dòng)的原理，使氣體工質(zhì)在腔內(nèi)做吸進(jìn)或噴出，通過(guò)連續(xù)的射流場(chǎng)作用，從而獲得散熱效果。它能將熱邊界層有效地破壞掉，提高換熱系數(shù)，具有著較高的冷卻效率。流化冰冷卻技術(shù)，流化冰是一種含有懸浮冰晶離子的固液兩相溶液，流化冰具有較好的流動(dòng)性能與熱物性，通過(guò)冰晶粒子的瞬間相變釋放大量的潛熱實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存和傳遞。其他諸如熱離子冷卻技術(shù)，液態(tài)縫隙填充材料散熱技術(shù)等技術(shù)也在不斷地發(fā)展與應(yīng)用之中，未來(lái)這些新型技術(shù)都可能被應(yīng)用到高功率、高熱流密度的電子設(shè)備散熱系統(tǒng)中來(lái)。

4散熱技術(shù)比較

隨著新型散熱技術(shù)的增多，新技術(shù)從不同的方面推動(dòng)了電子設(shè)備散熱技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。與傳統(tǒng)散熱技術(shù)相比，新型技術(shù)還不夠成熟，可靠性還有待驗(yàn)證，能夠被應(yīng)用的范圍領(lǐng)域還比較窄，但是其高效的散熱能力是傳統(tǒng)散熱技術(shù)無(wú)法相比的。以下將幾種散熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)如表1所示。

5結(jié)語(yǔ)

電子設(shè)備散熱技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，從散熱理論和散熱手段上都有了大幅度的進(jìn)展。新型散熱技術(shù)消除了傳統(tǒng)散熱技術(shù)的很多弊端，但仍舊存在很多不足。比如，液態(tài)金屬散熱技術(shù)的液態(tài)金屬可能會(huì)流出到CPU或者主板上，造成短路。因此，如何采用有效的散熱措施以保證電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，依舊是工程界與學(xué)術(shù)界的熱門(mén)話題。未來(lái)的電子設(shè)備的散熱系統(tǒng)可能會(huì)朝著智能化、分級(jí)制冷的方向發(fā)展。隨著時(shí)下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能控制平臺(tái)技術(shù)的興起與蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域開(kāi)始朝著智能化、自動(dòng)化的方向發(fā)展。對(duì)于電子設(shè)備的散熱系統(tǒng)而言，原先的散熱系統(tǒng)并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一調(diào)控，分級(jí)制冷的機(jī)制。大部分的散熱系統(tǒng)都是根據(jù)設(shè)備內(nèi)部各個(gè)部件或者模塊的常見(jiàn)發(fā)熱情況來(lái)進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，而且設(shè)計(jì)的散熱方法也不夠靈活，大部分依靠經(jīng)驗(yàn)值，散熱功效固定，不能針對(duì)突發(fā)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，散熱不夠精準(zhǔn)，對(duì)于局部過(guò)熱的情況反應(yīng)遲鈍。因此，未來(lái)的電子設(shè)備的散熱系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)是這樣一個(gè)系統(tǒng)：1）具有多傳感器，能做到精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，針對(duì)局部異常高溫有快速反應(yīng)的能力。2）具備智能調(diào)控能力，能因地制宜，因時(shí)制宜地實(shí)施有效散熱手段。3）建立分級(jí)制冷機(jī)制，將多種散熱效果不同的散熱技術(shù)，按其散熱能力以及經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行梯隊(duì)劃分。然后根據(jù)電子設(shè)備的內(nèi)部具體的發(fā)熱情況，在智能算法的調(diào)控下，可以選擇當(dāng)前情況最優(yōu)的散熱方式來(lái)進(jìn)行散熱，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化、經(jīng)濟(jì)化、高效化的智能散熱。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)的電子設(shè)備的散熱系統(tǒng)必然會(huì)是一個(gè)高效而智能的監(jiān)控分析系統(tǒng)，使得電子設(shè)備工作在一個(gè)合適的溫度范圍，同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與高效的最優(yōu)解。但目前，距離實(shí)現(xiàn)這種高效智能的散熱系統(tǒng)，還有很長(zhǎng)一段路要走，這仍然需要更多的研究人員進(jìn)行努力研究。

作者：謝遠(yuǎn)成 歐中紅 單位：中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七○九研究所