散熱器高效散熱技術(shù)與應(yīng)用研究方案

1、.wd.wd.wd.散熱器高效散熱技術(shù)及應(yīng)用研究摘要：隨著電子技術(shù)的開(kāi)展,使得電子器件的熱流密度不斷增加,這樣勢(shì)必對(duì)電子器有更高的散熱要求,因此有效地解決散熱問(wèn)題已成為電子設(shè)備必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)現(xiàn)代電子設(shè)備所面臨的散熱問(wèn)題,就散熱 根本原理以及各種主流散熱技術(shù)，包括自然對(duì)流散、強(qiáng)制風(fēng)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(shè)備散熱技術(shù)及某些前沿的研究現(xiàn)狀、開(kāi)展趨勢(shì)及存在問(wèn)題分別予以闡述。關(guān)鍵詞：熱傳遞 自然對(duì)流 強(qiáng)制風(fēng)冷 熱管散熱 熱電制冷引言：據(jù)統(tǒng)計(jì),55%的電子設(shè)備失效是由溫度過(guò)高引起的?？梢?jiàn),電子設(shè)備的主要故障形式為過(guò)熱損壞,因此對(duì)電子設(shè)備進(jìn)展有效的散熱是

2、提高產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。電子設(shè)備的主要散熱技術(shù)電子設(shè)備的高效散熱問(wèn)題與傳熱學(xué)(包括熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射)和流體力學(xué)(包括質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒三大定律)等原理的應(yīng)用密切相關(guān)。一：熱傳遞主要有三種方式：傳導(dǎo) : 物質(zhì)本身或當(dāng)物質(zhì)與物質(zhì)接觸時(shí)，能量的傳遞就被稱為熱傳導(dǎo)，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(lái)傳遞能量。相對(duì)而言，熱傳導(dǎo)方式局限于固體和液體，因?yàn)闅怏w的分子構(gòu)成并不是很嚴(yán)密，它們之間能量的傳遞被稱為熱擴(kuò)散。熱傳導(dǎo)的 根本公式為“Q=KAT/L。其中Q代表為熱量，也就是熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生或傳導(dǎo)的熱量；K為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，熱傳導(dǎo)系數(shù)類似比熱，但是又與比熱有一些差異

3、，熱傳導(dǎo)系數(shù)與比熱成反比，熱傳導(dǎo)系數(shù)越高，其比熱的數(shù)值也就越低。舉例說(shuō)明，純銅的熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)的能量就越高，也就越容易帶走熱量。對(duì)流 : 對(duì)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(yīng)用到實(shí)際來(lái)看，熱對(duì)流又有兩種不同的情況，即：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流指的是流體運(yùn)動(dòng)，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(duì)就會(huì)向上運(yùn)動(dòng)。相反地，溫度低的流體，密度高，因此向下運(yùn)動(dòng)，這種熱傳遞是因?yàn)榱黧w受熱之后，或者說(shuō)存在溫度差之后，產(chǎn)生了熱傳遞的動(dòng)力；強(qiáng)制對(duì)流那么是流體受外在的強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)如風(fēng)扇帶動(dòng)的空氣流動(dòng),驅(qū)動(dòng)力向什么地方，流體就向什么地方運(yùn)動(dòng)，因此這種熱對(duì)流更有效率和可指向性。熱對(duì)流的公式為“Q=HAT。公式中Q依舊代表熱量，也就是熱對(duì)流所帶走的熱量；H為熱對(duì)流系數(shù)值，A那么代表熱對(duì)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(duì)流傳遞中，熱量傳遞的數(shù)量同熱對(duì)流系數(shù)、有效接觸面積和溫度差成正比關(guān)系；熱對(duì)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(méi)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(shuō)，熱輻射其實(shí)就是以波的形式到達(dá)熱交換的目的。既然熱輻射是通過(guò)波來(lái)進(jìn)展傳遞的，那么勢(shì)必就會(huì)有波長(zhǎng)、有頻率。不通過(guò)介質(zhì)傳遞就需要的物體的熱吸收率來(lái)決定傳遞的效率了，這里就存在一個(gè)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(dǎo)系數(shù)那么是物體的材料特性。一般的熱輻射的熱傳導(dǎo)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(shí)際中，當(dāng)物質(zhì)為金屬且外表光潔的情況下，熱輻射系數(shù)對(duì)比小，而把金屬外表進(jìn)展處理后比方著色其外表熱輻射系數(shù)值就會(huì)提升

6、。塑料或非金屬類的熱輻射系數(shù)值大局部都對(duì)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(guān)系，但這里這個(gè)函數(shù)對(duì)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(guān)系。任何散熱器也都會(huì)同時(shí)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(lái)，通過(guò)與其核心嚴(yán)密接觸的散熱片底座以傳導(dǎo)的方式傳遞到散熱片，然后，到達(dá)散熱片的熱量，再通過(guò)其他方式如風(fēng)扇吹動(dòng)將熱量送走。整個(gè)散熱過(guò)程包括4個(gè)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(dǎo)體；第三是風(fēng)扇，是增加熱傳導(dǎo)和指向熱傳導(dǎo)的媒介

7、；第四就是空氣，這是熱交換的最終流向。一般說(shuō)來(lái)，依照從散熱器帶走熱量的方式，可以將散熱器分為主動(dòng)式散熱和被動(dòng)式散熱。所謂的被動(dòng)式散熱，是指通過(guò)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?yàn)槭亲匀簧l(fā)熱量，效果當(dāng)然大打折扣，常常用在那些對(duì)空間沒(méi)有要求的設(shè)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(dòng)式散熱。對(duì)于個(gè)人使用的PC機(jī)來(lái)說(shuō)，絕大多數(shù)采取主動(dòng)式散熱方式，主動(dòng)式散熱就是通過(guò)風(fēng)扇等散熱設(shè)備強(qiáng)迫性地將散熱片發(fā)出的熱量帶走，其特點(diǎn)是散熱效率高，而且設(shè)備體積小二：電子設(shè)備的散熱技術(shù)及開(kāi)展趨勢(shì)作一概述。1自然對(duì)流散熱這是最經(jīng)典、最方便的

8、方法,是利用設(shè)備中各個(gè)元器件的空隙以及機(jī)殼的熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射來(lái)到達(dá)散熱目的。這種方法適用對(duì)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(shù)的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單,成本低,安全可靠;沒(méi)有噪聲和震動(dòng)。缺點(diǎn)是熱阻大,傳熱性能差。2.強(qiáng)制風(fēng)冷散熱這是依靠風(fēng)扇(常見(jiàn)的有離心式、軸流式、螺旋槳式)等迫使器件周圍空氣流動(dòng),從而將器件散發(fā)出的熱量帶走而到達(dá)散熱目的的方法。資料說(shuō)明:當(dāng)器件發(fā)熱密度大于0. 155 W /cm2時(shí),用對(duì)流、輻射、傳導(dǎo)等自然冷卻方式就不能有地將熱量帶走,必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。強(qiáng)制風(fēng)冷散熱主要是對(duì)流換熱。根據(jù)傳熱學(xué)

9、原理,對(duì)流換過(guò)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(duì)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(guò)加大散熱器尺寸或增加散熱器肋片的數(shù)量來(lái)實(shí)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(fēng)機(jī)提高空氣流動(dòng)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(guò)合理的風(fēng)道設(shè)計(jì),在散熱器前參加擾流片引入紊流,增加局部對(duì)流,可以加強(qiáng)換熱,提高散熱效果。實(shí)驗(yàn)證明,合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)可使熱阻降低10% 20%。溫升降低5 10 。幾乎所有的臺(tái)式或采用機(jī)柜安裝的電子設(shè)備都采用強(qiáng)制風(fēng)冷散

10、熱方式,這種空氣強(qiáng)制對(duì)流冷卻的換熱量比自然對(duì)流和輻射的要大到10倍。但由于需要增加風(fēng)機(jī)或泵,使得成本增加,噪聲變大,運(yùn)行可靠性較低。目前有許多科學(xué)家致力于改良強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)并取得了重大突破。典型的有喬冶亞理工大學(xué)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(shù),從許多微孔中噴出氣體到被冷卻外表,介質(zhì)與外表?yè)Q熱系數(shù)因強(qiáng)烈擾動(dòng)而保持在很高的水平,它的風(fēng)冷能力超過(guò)10W /cm2。另一種先進(jìn)技術(shù)為射流冷卻,采用這種技術(shù)的器件芯片熱流密度可達(dá)100W /cm2。射流冷卻時(shí)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(lái)到達(dá)冷卻的要求。3. 液體冷卻 強(qiáng)制冷卻除

11、了強(qiáng)制風(fēng)冷外,還有強(qiáng)制液冷,它是對(duì)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(shí)也相應(yīng)提高組件的冷卻效果。直接液冷的實(shí)驗(yàn)效果可達(dá)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(hù)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(dǎo)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(lái),開(kāi)展了一些新型液體冷卻技術(shù)。如液體射流冷卻技術(shù),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(yīng)用。為此,開(kāi)展了噴淋冷卻技術(shù)。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(rèn)為是最有效率、最有前景的冷卻方式之一。國(guó)外已出現(xiàn)在電子設(shè)備中熱流密度500 W /cm2的芯片應(yīng)用液體噴淋冷卻技術(shù)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(shí)大量吸收熱量的特性,在特定場(chǎng)合下對(duì)電子器件進(jìn)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(dòng)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(qiáng)制風(fēng)冷提高10倍 50倍,流動(dòng)沸騰是指流體在窄通道內(nèi)的對(duì)流沸騰傳熱,熱流密度可達(dá)100W /cm2。4.熱管散熱技術(shù)熱管技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代,由于它具有極高的導(dǎo)熱性,優(yōu)良的等溫性,熱流密度可變性,流動(dòng)方向可逆性,恒溫特性及環(huán)境的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn),可以滿足電子電氣設(shè)備對(duì)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(shè)備散熱技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)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(guò)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(xì)力的作用,返回到加熱段再吸熱蒸發(fā)。它的整個(gè)過(guò)程是在沒(méi)有外部動(dòng)力,沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)零件,沒(méi)有噪聲的情況下完成的,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效,傳熱能力大,導(dǎo)熱系數(shù)大。使用時(shí),其一端可以連接多個(gè)發(fā)熱部件,另一端可連接散熱器、機(jī)殼其他冷卻器件,散熱效果十分理想。目前熱管技術(shù)在電子設(shè)備熱控制中代表性的應(yīng)用首推電腦內(nèi)芯片的散熱冷卻。如由Staio Y,Mo-chizukiM等人應(yīng)用熱管技術(shù)對(duì)筆記本電腦的CPU

15、散熱,并提出了兩種方案:一是鉸鏈?zhǔn)缴?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(dá)10W,另一種是強(qiáng)制對(duì)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(gè)微型風(fēng)扇,將熱量排除到環(huán)境中去,其散熱功率到達(dá)12W。然而,臺(tái)式電腦服務(wù)器,工作站中CPU需要散熱功率為50W 100W,單個(gè)熱管不能到達(dá)散熱要求,為此,Fujikura公司開(kāi)發(fā)出稱為“仙人掌式熱管,這種熱管的散熱效果與冷風(fēng)的流速有關(guān),如CPU功耗為80W,風(fēng)速為2. 5m

16、 /s時(shí),其熱阻為0. 5 W/。美國(guó)Thermacore公司推出了一種專門(mén)為筆記本電腦設(shè)計(jì)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(guó)際熱管會(huì)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(yīng)用。微熱管是由密閉容器、毛細(xì)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(xì)作用力或重力回流至原加熱位置。加州大學(xué)洛杉磯分校的散熱熱設(shè)計(jì)方案就綜合利用了微噴管和微熱管來(lái)增強(qiáng)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(huì)導(dǎo)致使用一段時(shí)間后傳熱性能下降,因此要嚴(yán)格控制熱管的產(chǎn)品質(zhì)量,進(jìn)展老化試驗(yàn),同時(shí),必須對(duì)被冷卻的器件進(jìn)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(zhǔn)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(guò)與換熱器基體并通過(guò)基體與別的換熱介質(zhì)進(jìn)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(dá)1 000W /cm2。 20世紀(jì)90年代以來(lái),美國(guó)的一些大學(xué)如斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)各分校、馬里蘭大學(xué)等和Intel、HP等大

18、公司合作,開(kāi)場(chǎng)了微細(xì)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(shí)驗(yàn)研究。目前,單層微槽道散熱器已趨于成熟,為進(jìn)一步減少壓力降,提高芯片溫度均勻性而減少熱應(yīng)力,已對(duì)雙層微槽道進(jìn)展研究。迄今為止,該領(lǐng)域尚無(wú)系統(tǒng)的機(jī)理與理論研究,許多問(wèn)題如低雷諾數(shù)下微流體的流動(dòng)問(wèn)題及邊界條件及連體動(dòng)力學(xué)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(duì)應(yīng)于集成電路,實(shí)際上是一個(gè)模塊化微機(jī)械硅散熱系統(tǒng),由微通道冷凝器、微泵驅(qū)動(dòng)、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(wèn)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(jì)算出散熱能力可達(dá)1 000W /cm2。7.熱電致冷熱電致冷又稱半導(dǎo)體致冷,它的理論依據(jù)是利用半導(dǎo)體材料(如Bi2Te3)的Pelti