1引言
現代功率電子設備正在迅速地向高集成度?高密度組裝?高運行速度方向發展?作為功率電子設備核心的芯片,工作的主頻越來越快,消耗的功耗越來越大,發出的熱量也越來越多?若器件的散熱能力不強,則功率的耗散就會造成器件內部芯片有源區溫度上升及結溫升高?
元器件的失效率與其結溫成指數關系,性能則隨結溫升高而降低?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備的工作性能和可靠性,對電子設備進行合理的熱設計,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備的風冷?水冷?微管道散熱器?熱管技術等散熱技術,闡述了各種散熱技術的原理和特點,簡要介紹了最新的國內外學者的研究成果?
2功率電子常用散熱技術
目前功率電子設備常用的散熱技術有風冷?水冷?微管道散熱器?熱管技術等?
2.1風冷
圖1是風冷散熱器的示意圖?利用風冷散熱器對電子芯片進行冷卻是最簡單?最直接?成本最低的散熱方式?一般來說,空氣冷卻或強制風冷技術大多應用在低功耗或中等功耗的器件或電子設備中?目前,采用先進風扇和優化大面積熱沉,空氣冷卻技術的冷卻能力可達50W·cm-2?風冷散熱器的原理很簡單:芯片耗散的熱量通過粘結材料傳導到金屬底座上,再傳導到散熱片上,通過自然對流或強制對流把熱量散發到空氣中?傳導和對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境,可以采取下列方法加強傳導和對流散熱?
2.1.1采用導熱性能好的材料作散熱器
在常見的金屬中,銀的導熱系數最高,但是它的價格著實不菲?現在常用的散熱器材料主要是鋁和銅?鋁價格便宜,密度小,好加工,導熱性能良好?相比較而言,銅的導熱系數比鋁的大,許多散熱能力超強的散熱器均采用純銅打造?但銅材料價格昂貴?易氧化,加工成本高?目前出現銅鋁復合型散熱器,即底部為銅,散熱片為鋁,具有良好的散熱性能和經濟性?
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,這樣熱量可以散發得更快?不同的肋片高度和肋間距決定了對流面的面積,是影響散熱器換熱效果的重要因素?肋片的布局關系到散熱器內氣流組織?換熱系數以及應用特點?為了提高換熱系數,可以采用波紋狀肋面制造紊流?
余小玲等針對平板翅片式散熱器存在的不足,提出了一種翅片間設有釘柱的翅柱復合型散熱器?釘柱能夠使通過該散熱器的氣流受到擾動,從而提高其散熱性能?在相同的風速下,翅柱式散熱器表面的Nusselt數比板翅式散熱器高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?使用成本低的優點,在電子設備的冷卻中具有較高的使用價值?
2.1.3強迫風冷
選擇合適的風扇或鼓風機,加快散熱片周圍空氣的流動,可以改善氣流組織,提高對流換熱系數,從而改善散熱效果?
國內外有許多學者對風冷散熱器進行了研究?Malhammer研究了在給定芯片表面與環境的溫差及流速條件下,散熱器的散熱量隨肋間距的變化,并對不同流速下散熱器的散熱量進行了比較,研究了在給定芯片表面與環境的溫差?流速及肋片厚度條件下,散熱器散熱量隨肋間距的變化,對不同肋片厚度的散熱器的散熱量進行比較?蔣長順等用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?熱沉肋片數對芯片最高結點溫度的影響?對一定的熱沉結構,在強制對流時,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,芯片結點溫度下降得比較快,隨著流體速度的進一步增大,對改善其熱性能的作用會減小?肋片的厚度為常數,隨肋片數增多,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,更多的熱量可以由空氣流體散發到環境中,可以顯著地減小芯片的最高結溫?
2.2水冷
水冷又稱為液冷?它的散熱效率高,熱傳導率為傳統風冷方式的20倍以上,且無風冷散熱的高噪音,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?循環管?吸熱盒和散熱片四個部分?水冷散熱的原理非常簡單,如圖2所示?水冷散熱是一個密閉的液體循環裝置,通過泵產生的動力,推動密閉系統中的液體循環,將吸熱盒吸收的芯片產生的熱量,通過液體的循環,帶到面積更大的散熱裝置,進行散熱?冷卻后的液體再次回流到吸熱設備,如此循環往復?
吸熱盒和散熱片設計上多采用銅?鋁或銅鋁復合結構?在吸熱盒的設計中,流體與吸熱盒之間的吸熱盒壁應盡量薄,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熱硅脂,安放吸熱盒時逐漸與芯片接觸,避免接觸面之間留存空氣?選擇冷卻液時,必須對冷卻液的熱傳遞能力?冰點和黏度?沸點和分解溫度?絕緣性能?腐蝕性?可燃性?毒性?費用等加以考慮?常用冷卻液有水?乙二醇溶液?鹽水?硅油等?
曾平等通過實驗的方式,測試了以壓電泵為動力源的水冷系統內部流量?風扇?組成水冷系統的各部件及冷卻液性能對芯片散熱效果的影響規律,提出了吸熱盒?散熱器的設計原則?此種散熱器相對風冷散熱器,能使芯片更快地達到平衡溫度,且平衡溫度較低?楊雙根等對某大功率組件進行了細致的熱分析,設計了液冷組件,在Q=2.5L·min-1時,模型中的流道設計能滿足熱設計指標,此時的壓力損失也較小,符合某固態組件的熱設計要求?張旭對某超級計算機的液冷系統進行了設計,選用去離子蒸餾水加鋁?銅緩蝕劑及消泡劑作為冷卻液,確定系統進水溫度為15℃,冷板由LF21防銹鋁和防銹鋁復合板高溫釬焊而成,闡述了液冷系統設計的原則?方法及工程實施過程?
2.3微管道散熱器
微管道由于具有很高的傳熱系數,可利用其設計電子芯片內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,并以此來構造一種新型的微管道散熱器?他們的實驗表明,當水的流量為10cm3·s-1,水的溫升為71℃時,冷卻熱流可高達790W·cm-2?這一冷卻能力大大超過了目前已知的常規冷卻手段所能達到的水平,因而在芯片冷卻應用上,作為高效緊湊型換熱器或冷卻裝置極具優勢?
國內外許多學者對微管道散熱器進行了研究?Vijay通過一系列假設?簡化后,得到了一個可描述微管道散熱器中對流傳熱問題的準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流體的溫度場分布,并在此基礎上提出了一種微管道幾何尺寸的優化算法?Leng利用商用的FLUENT軟件分析了微管道中的傳熱和流動問題,給出了當散熱器總熱阻被表達為冷卻液流量的函數時,微管道?翅片及襯底三者的幾何參數對總熱阻的影響?董濤等針對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,分別使用有限元方法對微管道散熱器中的管道表面溫度?流體溫度及總熱阻進行計算?陳運生等人設計?加工出了一種電子芯片冷卻用的硅制分形微管道網絡散熱器?在給出分形微管道網絡構造過程的基礎上,探討了分形微管道網絡內部微流體的換熱與壓降特性,理論推算和實驗研究表明分形微管道網絡散熱器比傳統的平行微管道陣列型散熱器具有更優的傳熱性能?趙增會和余建祖設計制作了6種不同結構尺寸的微矩形槽道,采用乙醇溶液作為冷卻工質,進行了微槽道內單相強迫對流換熱性能實驗,分析了流體流速?過冷度和微槽結構等對傳熱特性的影響?徐德好通過對系列尺寸微通道冷板進行分析比較以及試驗驗證,得到了微通道冷板基礎性的設計數據并得到如下結論:通道寬度同換熱性能密切相關,隨著通道寬度尺寸的縮小,換熱系數增大?微通道冷板的設計中,通道占空比對換熱性能有較大影響,若不計冷板體積的影響,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驗證比較了微通道冷板和常規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常規蛇形冷板要差一些,但微通道冷板比常規蛇形冷板具有更加優異的換熱性能?對于相同的壓降,微通道冷板的換熱性能比常規冷板高很多?這樣,采用微通道冷板可以節約冷卻液資源,亦為冷卻系統的流量分配減輕了壓力?
2.4熱管技術
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工作介質蒸發和冷凝的相變過程耦合在一起的,它的當量熱導率可達金屬的103~104倍?與傳統散熱設備相比,熱管無需消耗動力?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,微型熱管的結構,經歷了重力型?具有毛細芯的單根熱管,到具有一簇平行獨立微槽道的平板熱管,進而發展到內部槽道簇之間通過蒸汽空間相互連通的形式?
單根熱管的典型結構如圖3所示,它由管殼?毛細多孔材料?工作液體和散熱片組成?將管內空氣排除形成真空使填滿毛細材料中的微孔充滿液體并加以密封?當蒸發段受熱時毛細材料中的液體蒸發,通過絕熱段流向冷凝段,蒸汽受到冷卻凝結成液體,液體沿多孔材料靠毛細材料力的作用流回到蒸發段,如此循環,熱量由熱管殼傳至熱管芯,管芯再傳給工質,工質再傳給冷凝段,冷凝段通過冷凝作用再把熱量散發出去?
微槽平板熱管的典型結構如圖4所示?在矩形金屬平板內開出軸向的內腔,在內腔的一側軸向加工出若干個微型槽道,將適量的工質充入具有一定真空度的熱管內腔中并將兩端密封?槽道上部是連通的蒸汽腔?當蒸發段受熱時微槽中的工質蒸發,通過絕熱段流向冷凝段,蒸汽受到冷卻凝結成液體,液體沿微型槽道靠毛細力的作用流回到蒸發段,如此循環,熱量由熱管殼傳至工質,工質再傳給冷凝段,冷凝段通過冷凝作用把熱量散發出去?
近十幾年來,微熱管技術用于冷卻電子元器件得到了很大的發展,國內外有許多學者進行了研究?陶漢中等利用ANSYS軟件對某高速芯片模塊的熱管散熱器進行仿真熱分析,得出了相應的溫度場分布圖和熱流密度分布圖?結果表明:熱管散熱器能有效地降低高速芯片模塊在使用時的溫度,增加系統的可靠性,是高速芯片模塊散熱的一種新方法?殷際英對一種熱管式散熱器的傳熱機理?傳熱路線和各傳熱階段的熱阻進行了定性分析和定量分析,設計了原理結構,建立了傳熱模型,導出了總傳熱系數的計算式,并給出了該熱管散熱器的設計計算實例?Plesch等人和Cao等人對幾種小深寬比的微槽平板熱管進行了實驗研究,證實了此種熱管較好的傳熱能力?Hopkins等人對3個幾何結構尺寸不同?槽道在整個內壁面分布的銅水微型熱管進行了實驗研究,認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,對它們的傳熱特性進行實驗研究,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?范春利等對三種微槽平板熱管的傳熱性能進行了實驗研究,分析了充液率?工質的種類?槽道形狀對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充液率范圍,證明了深槽平板熱管具有更加優良的傳熱性能?范春利等系統地研究了小充液率條件下重力對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,發現重力對熱管徑向液膜的分布影響比較小,而對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?進一步證明了深槽平板熱管具有良好的傳熱性能?胡學功等利用微槽群蒸發型熱沉技術,設計了一種新穎的用于電子芯片散熱的微槽群蒸發器,對影響微槽群蒸發器散熱性能的各種因素進行了實驗研究?Ponnappan設計?制造一種新型的銅-水微型熱管,此熱管的毛細芯是用一種金屬薄膜折疊而成,制作非常方便?對它的傳熱性能進行檢測,并與文獻報道的數據進行對比?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結論
風冷散熱是最簡單?最直接?成本最低的散熱方式,一般應用在低功耗或中等功耗的器件或電子設備中?目前,空氣冷卻技術的冷卻能力可達50W·cm-2?水冷散熱效率高,熱傳導率為傳統風冷方式的20倍以上,且無風冷散熱的高噪音,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,可利用其設計電子芯片內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,它的當量熱導率可達金屬的103~104倍?和傳統散熱設備相比,熱管無需消耗動力?空間尺寸小?冷卻能力高,單位面積的傳熱量高?
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