电子器件散热技术现状及进展

随着电子及通讯技术的迅速发展，高性能芯片和集成电路的使用越来越广泛。电子器件芯片的功率不断增大，而体积却逐渐缩小，并且大多数电子芯片的待机发热量低而运行时发热量大，瞬间温升快。高温会对电子器件的性能产生有害的影响，据统计电子设备的失效有55 %是温度超过规定值引起的，电子器件散热技术越来越成为电子设备开发、研制中非常关键的技术。电子器件散热的目的是对电子设备的运行温度进行控制(或称热控制)，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，目前主要有空气冷却技术和液体冷却技术两大类。

1 空气冷却技术

空气冷却技术是目前应用最广泛的电子冷却技术，包括自然对流空气冷却技术和强制对流空气冷却技术。自然对流空气冷却技术主要应用于体积发热功率较小的电子器件，利用设备中各个元器件的空隙以及机壳的热传导、对流和辐射来达到冷却目的。

自然对流依赖于流体的密度变化，所要求的驱动力不大，因此在流动路径中容易受到障碍和阻力的影响而降低流体的流量和冷却速率。对于体积发热功率较大的电子器件，如单一器件功耗达到7 W(15~25 W·cm-2)，板级(印制电路板)功耗超过300 W(2~3W·cm-2)时，一般则采用强制对流空气冷却技术。强制散热或冷却方法主要是借助于风扇等设备强迫电子器件周边的空气流动，从而将器件散发出的热量带走，这是一种操作简便、收效明显的散热方法。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)以及提高散热表面的强迫对流传热系数(紊流器、喷射冲击、静电作用)。对一些较大功率的电子器件，可以根据航空技术中的扰流方法，通过在现有型材散热器中增加小片扰流片，在散热器表面的流场中引入紊流，可以显着提高换热效果。

传热技术发展到今天，强制空冷散热器的设计优化已十分成熟，结合热管技术、热电制冷技术、空气射流技术等，极大地强化了空冷技术的冷却能力。空气射流冲击技术是近年高效空气冷却技术领域的研究热点，是大幅度提高空气对流换热系数的有效手段，射流冲击(如图1 所示)不同于传统的强迫风冷技术，它能在局部产生极高的对流换热效果。实验结果表明，射流冲击的对流换热系数达到900(W·m-2·K-1)，几乎比传统强迫风冷技术提高了一个数量级，与强迫液冷换热系数相当。所以空气射流冲击技术是冷却局部高功率密度器件的理想方式，也是传统冷却方式的一次革命性改进。

2 液体冷却技术

液冷技术是20 世纪80 年代发展起来的，为解决当时大型电子计算机的冷却问题而提出。液体冷却可以是单相的，也可以是两相的，气液相变的冷却由于利用了冷却剂的相变潜热，所以冷却效果更好。液体冷却主要包括直接冷却或间接冷却、气液相变冷却、液体射流冲击冷却、滴液及喷淋冷却等。

2.1 直接液体冷却

直接液体冷却中，冷却液体与发热的电子元器件直接接触进行热交换。热源将热量直接传给冷却液，再由冷却液将热量带走，所以流体工质的对流和相变是流体与热源间的主要换热方式，直接液冷的实验效果可以达到800 W·cm-2.直接液体冷却必须考虑到工质与电子元器件间的电绝缘性以及相容性、工质的热胀冷缩性、系统的密封性以及系统的可维护性等。Yokouchi 等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，而且可以显着提高组件的冷却效果。

2.2 间接液体冷却

由于直接液体冷却存在热滞后引起的热激波现象以及系统维护不便等原因，所以逐渐被间接液体冷却所取代。间接液体冷却法就是液体冷却剂不与电子元件直接接触，而是通过热传导的方式，先把热量传递给换热器，再由换热器中的冷却工质将热量带走，这类换热器通常称之为冷板。图2所示的冷板技术是一种相对简单和低成本的方案，由循环液体从热源带走热量再经气液换热器将热量散出。冷板采用空芯结构，通常为蜂窝状或回旋状的结构形式，所采用的液体通常是水、碳氟化合物、硅脂或己二醇等。[!--empirenews.page--]

为了提高冷板的散热效果，Li Teng 等采用低熔点金属或其合金作为冷却流动工质，液态金属及合金一方面具有远高于水、空气等常规冷却介质的导热率，另一方面还具有流动性，可实现快速高效的热量运输。有学者以纳米Al2O3/水功能流体作为冷却介质，实验结果表明，传热性能提高了40 %.美国Avid Thermalloy公司专利产品HiContact 系列冷板是将镶嵌在平板上的圆管部分压扁，使得管与板形成同一平面，这样冷却管可以与元器件直接接触，从而提高传热效果。Thermacore 公司推出的微处理冷板冷却系统散热能力超过200 W,热流密度大于250 W·cm-2.

2.3 微通道传热

微通道是定义为水力学直径在1~1000 靘 之间的通道或管道，具有高表面积/体积比、低热阻、低流量等特点，是一种有效散热的解决方案。在定向硅片上或者在基板上利用各向异性蚀刻等技术制造出微尺度通道，液体在流过微通道时通过蒸发或者直接将热量带走。它是利用微尺度换热的特殊性来达到高效冷却的目的，是目前各国研究的热点。研究表明，液体在微通道内被加热会迅速发展为核态沸腾，此时液体处于一个高度不平衡状态，具有很大的换热能力，通道壁面过热度也比常规尺寸下的情况要小得多。Faulkner 等研制了一套基于微通道的冷却系统，利用纳米流体的强化沸腾效果实现了1000 W·cm-2 的冷却能力。

3 结语

抗热冲击和散热问题已成为电子技术发展的瓶颈。传统的依靠单相流体的对流换热方法和强制风冷方法难以满足许多电子器件的散热要求，特别是风冷需要安排高效、高翅化比的扩展散热表面，却常常受到应用场合的空间限制。因此，必须研究和开发新的散热手段以适应有高热流密度散热要求的场合。电子设备的微型化及特殊用途有时要求使用一些特殊的冷却方式，其中研究和应用较多的有热管传热冷却、热虹吸管传热冷却、环路热管、毛细泵吸环路冷却及热电制冷等。近年还发展起一类具有广泛应用前景的技术-相变温控，其基本原理是利用相变材料的相变过程储存或释放热量，从而实现对物体的温度控制。相变温控因具有结构紧凑、性能可靠、经济节能等优点，早在20 世纪60 年代就被应用到航空航天电子设备温控上。随着各种便携式电子设备向小型化、高集成化方向的发展，相变温控又被应用到这些电子设备的温控上，这方面的应用研究逐渐成为温控领域的一个研究热点。利用相变材料大的相变潜热和较为恒定的相变温度的特点，可有效提高电子元器件抗热冲击的能力，实现电子器件散热的有效管理，保证电子电器设备运行的可靠性和稳定性。