散热器高效散热技术及应用研究1604121848阚宏伟难点.docx

散热器高效散热技术及应用研究摘要：随着电子技术的发展,使得电子器件的热流密度不断增加,这样势必对电子器有更高的散热要求,因此有效地解决散热问题已成为电子设备必须解决的关键技术。针对现代电子设备所面临的散热问题,就散热基本原理以及各种主流散热技术，包括自然对流散、强制风冷散热、液体冷却、热管、微槽道冷却、集成热路、热电致冷等常用的电子设备散热技术及某些前沿的研究现状、发展趋势及存在问题分别予以阐述。 关键词：热传递 自然对流 强制风冷 热管散热 热电制冷引言：据统计,55%的电子设备失效是由温度过高引起的。可见,电子设备的主要故障形式为过热损坏,因此对电子设备进行有效的散热是提高产品可靠性的关键。电子设备的主要散热技术电子设备的高效散热问题与传热学(包括热传导、对流和热辐射)和流体力学(包括质量、动量和能量守恒三大定律)等原理的应用密切相关。一：热传递主要有三种方式：传导 : 物质本身或当物质与物质接触时，能量的传递就被称为热传导，这是最普遍的一种热传递方式，由能量较低的粒子和能量较高的粒子直接接触碰撞来传递能量。相对而言，热传导方式局限于固体和液体，因为气体的分子构成并不是很紧密，它们之间能量的传递被称为热扩散。热传导的基本公式为“Q=KAT/L”。其中Q代表为热量，也就是热传导所产生或传导的热量；K为材料的热传导系数，热传导系数类似比热，但是又与比热有一些差别，热传导系数与比热成反比，热传导系数越高，其比热的数值也就越低。举例说明，纯铜的热传导系数为396.4，而其比热则为0.39；公式中A代表传热的面积(或是两物体的接触面积)、T代表两端的温度差；L则是两端的距离。因此，从公式我们就可以发现，热量传递的大小同热传导系数、热传热面积成正比，同距离成反比。热传递系数越高、热传递面积越大，传输的距离越短，那么热传导的能量就越高，也就越容易带走热量。对流 : 对流指的是流体(气体或液体)与固体表面接触，造成流体从固体表面将热带走的热传递方式。具体应用到实际来看，热对流又有两种不同的情况，即：自然对流和强制对流。自然对流指的是流体运动，成因是温度差，温度高的流体密度较低，因此质量轻，相对就会向上运动。相反地，温度低的流体，密度高，因此向下运动，这种热传递是因为流体受热之后，或者说存在温度差之后，产生了热传递的动力；强制对流则是流体受外在的强制驱动（如风扇带动的空气流动）,驱动力向什么地方，流体就向什么地方运动，因此这种热对流更有效率和可指向性。热对流的公式为“Q=HAT”。公式中Q依旧代表热量，也就是热对流所带走的热量；H为热对流系数值，A则代表热对流的有效接触面积；T代表固体表面与区域流体之间的温度差。因此热对流传递中，热量传递的数量同热对流系数、有效接触面积和温度差成正比关系；热对流系数越高、有效接触面积越大、温度差越高，所能带走的热量也就越多。辐射 : 热辐射是一种可以在没有任何介质的情况下，不需要接触，就能够发生热交换的传递方式，也就是说，热辐射其实就是以波的形式达到热交换的目的。既然热辐射是通过波来进行传递的，那么势必就会有波长、有频率。不通过介质传递就需要的物体的热吸收率来决定传递的效率了，这里就存在一个热辐射系数，其值介于01之间，是属于物体的表面特性，而刚体的热传导系数则是物体的材料特性。一般的热辐射的热传导公式为“Q =ESF(TaTb)”。公式中Q代表热辐射所交换的能力，E是物体表面的热辐射系数。在实际中，当物质为金属且表面光洁的情况下，热辐射系数比较小，而把金属表面进行处理后（比如着色）其表面热辐射系数值就会提升。塑料或非金属类的热辐射系数值大部分都比较高。S是物体的表面积，F则是辐射热交换的角度和表面的函数关系，但这里这个函数比较难以解释。(TaTb)则是表面a的温度同表面b之间的温度差。因此热辐射系数、物体表面积的大小以及温度差之间都存在正比关系。任何散热器也都会同时使用以上三种热传递方式，只是侧重有所不同。以CPU散热为例，热由CPU工作不断地散发出来，通过与其核心紧密接触的散热片底座以传导的方式传递到散热片，然后，到达散热片的热量，再通过其他方式如风扇吹动将热量送走。整个散热过程包括4个环节：第一是CPU，是热源产生者；第二是散热片，是热的传导体；第三是风扇，是增加热传导和指向热传导的媒介；第四就是空气，这是热交换的最终流向。一般说来，依照从散热器带走热量的方式，可以将散热器分为主动式散热和被动式散热。所谓的被动式散热，是指通过散热片将热源如CPU产生的热量自然散发到空气中，其散热的效果与散热片大小成正比，但因为是自然散发热量，效果当然大打折扣，常常用在那些对空间没有要求的设备中，或者用于为发热量不大的部件散热，如部分普及型主板在北桥上也采取被动式散热。对于个人使用的PC机来说，绝大多数采取主动式散热方式，主动式散热就是通过风扇等散热设备强迫性地将散热片发出的热量带走，其特点是散热效率高，而且设备体积小二：电子设备的散热技术及发展趋势作一概述。1自然对流散热这是最经典、最方便的方法,是利用设备中各个元器件的空隙以及机壳的热传导、对流和辐射来达到散热目的。这种方法适用对温度控制要求不高,器件发热的热流密度不大的低功耗电子器件和部件,以及密封或密集组装的器件不宜采用其他散热方法的情况下。这种技术的优点是结构简单,成本低,安全可靠;没有噪声和震动。缺点是热阻大,传热性能差。2.强制风冷散热这是依靠风扇(常见的有离心式、轴流式、螺旋桨式)等迫使器件周围空气流动,从而将器件散发出的热量带走而达到散热目的的方法。资料表明:当器件发热密度大于0. 155 W /cm2时,用对流、辐射、传导等自然冷却方式就不能有地将热量带走,必须采用强迫风冷。强制风冷散热主要是对流换热。根据传热学原理,对流换过程满足牛顿冷却公式P= T,而散热器的散热效果用热阻RT表示,RT= T /P。比较两可得出RT= 1 /(A)因此,提高散热效果的途径有:(1)增加散热器的散热面积A,可通过加大散热器尺寸或增加散热器肋片的数量来实现,但受到装置体积和质量的限制;(2)提高换热系数,可采用大尺寸和高转速的风机提高空气流动速度,从而提高,但这需要增加成本,使噪声增大,寿命下降;(3)通过合理的风道设计,在散热器前加入扰流片引入紊流,增加局部对流,可以加强换热,提高散热效果。实验证明,合理的风道设计可使热阻降低10% 20%。温升降低5 10 。几乎所有的台式或采用机柜安装的电子设备都采用强制风冷散热方式,这种空气强制对流冷却的换热量比自然对流和辐射的要大到10倍。但由于需要增加风机或泵,使得成本增加,噪声变大,运行可靠性较低。目前有许多科学家致力于改进强制风冷技术并取得了重大突破。典型的有乔冶亚理工大学封装研究中心研制的主要为冷却单芯片和多芯片组件的微喷冷却技术,从许多微孔中喷出气体到被冷却表面,介质与表面换热系数因强烈扰动而保持在很高的水平,它的风冷能力超过10W /cm2。另一种先进技术为射流冷却,采用这种技术的器件芯片热流密度可达100W /cm2。射流冷却时流体沿芯片法向冲击传热表面,冲击处的速度和温度边界层很薄,因而具有很高的传热率来达到冷却的要求。3. 液体冷却 强制冷却除了强制风冷外,还有强制液冷,它是对大热流密度芯片所采用的一种散热方式,包括直接冷却和间接冷却。直接液体冷却又称浸入冷却,这指液体与电子器件直接接触,由冷却剂吸热并将热量带走,如把电子器件直接浸在氟化烃溶液中,利用它直接冷却。KishioYoKouchi等人曾提出一种低冷直接浸入冷却方法,它可防止气泡聚集在组件顶端产生气泡层而影响产热效果,同时也相应提高组件的冷却效果。直接液冷的实验效果可达800W /cm25。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方便等原因,现已逐步被间接液体冷却所取代。间接液体冷却即是指液体冷却剂不与电子元件直接接触,热量经中间媒介或系统从发热元件传递给液体,中间媒介是指液体冷板及辅助装置如液冷模块(LCM)、导热模块(TCM)、喷射液冷模块(CCM)、液冷基板(LCS)等,这种液体冷板起支撑和热交换的双重作用。近年来,发展了一些新型液体冷却技术。如液体射流冷却技术,采用自由表面射流和浸液射流两种形式,它的原理与空气射流冷却原理基本相同,但冷却效果更佳。但这种冷却方式中冷却液只能喷射在滞止区,这限制了其应用。为此,发展了喷淋冷却技术。喷淋冷却液滴是直接作用到更大的区域,这样芯片的温度分布更趋一致,冷却效果更高,因此被认为是最有效率、最有前景的冷却方式之一。国外已出现在电子设备中热流密度500 W /cm2的芯片应用液体喷淋冷却技术的研究成果。保持在极端环境下其温度小于75 ,采用的冷却液是FC -726。另一种液体冷却方式为相变冷却,指利用制冷发生相变时大量吸收热量的特性,在特定场合下对电子器件进行冷却。它包括两种情况:容积沸腾(静止液体沸腾或池沸腾)和流动沸腾。容积沸腾是利用去离子液体的相变冷却散热,传热性能比强制风冷提高10倍 50倍,流动沸腾是指流体在窄通道内的对流沸腾传热,热流密度可达100W /cm2。4.热管散热技术热管技术起源于20世纪60年代,由于它具有极高的导热性,优良的等温性,热流密度可变性,流动方向可逆性,恒温特性及环境的适应性等优点,可以满足电子电气设备对散热装置紧凑、可靠控制灵活、高散热效率等要求7,因此,热管在电子设备散热技术领域获得了广泛的应用。热管的工作原理为:液体工质在蒸发段被热流加热蒸发,其蒸气经过绝热段流向冷凝段。在冷凝段蒸气被管外冷流体冷却放出潜热,凝结为液体;积聚在散热段吸液芯中的凝结液借助吸液芯的毛细力的作用,返回到加热段再吸热蒸发。它的整个过程是在没有外部动力,没有机械运动零件,没有噪声的情况下完成的,设计简单有效,传热能力大,导热系数大。使用时,其一端可以连接多个发热部件,另一端可连接散热器、机壳其他冷却器件,散热效果十分理想。目前热管技术在电子设备热控制中代表性的应用首推电脑内芯片的散热冷却。如由Staio Y,Mo-chizukiM等人应用热管技术对笔记本电脑的CPU散热,并提出了两种方案:一是铰链式散热,即首先用一根热管传至显示屏与盒体的连接铰链块上,另一根热管将第一根热管传至铰链块上的热量传至显示屏背后的铝板,其散热功率可达到10W,另一种是强制对流散热,即将CPU的热量传至一块铝板上,铝板上装有扁平的微型热管,扁平热管将铝板的热量传递到带有很多薄肋片的铝板散热器上,在散热器前装一个微型风扇,将热量排除到环境中去,其散热功率达到12W。然而,台式电脑服务器,工作站中CPU需要散热功率为50W 100W,单个热管不能达到散热要求,为此,Fujikura公司开发出称为“仙人掌”式热管,这种热管的散热效果与冷风的流速有关,如CPU功耗为80W,风速为2. 5m /s时,其热阻为0. 5 W/。美国Thermacore公司推出了一种专门为笔记本电脑设计的热管,可用于主频200MHz以上芯片的散热。自从1988年TPCotter在日本举行的第五届国际热管会议上提出微型热管的理论及展望,引起了微热管在电子器件散热方面的广泛应用。微热管是由密闭容器、毛细结构与工作流体组成。容器抽成真空后,流入适量的工作流体,然后密封,工作流体在容器内维持饱和状态,一旦容器的一端受热,工作流体吸热汽化,所产生的蒸汽流向容器另一端放热凝结,而凝结液将因毛细作用力或重力回流至原加热位置。加州大学洛杉矶分校的散热热设计方案就综合利用了微喷管和微热管来增强散热性能8。值得注意的是,热管由于其制造材料、工艺、管内洁净度等原因会导致使用一段时间后传热性能下降,因此要严格控制热管的产品质量,进行老化试验,同时,必须对被冷却的器件进行温度监控。5.微槽道冷却微槽道散热器是在很薄的硅片金属或其他合适的基片上,用光刻、蚀刻及精确切削等方法加工成截面尺寸仅有几十到上百微米的槽道,换热介质在这些小槽道中流过与换热器基体并通过基体与别的换热介质进行换热9。这种散热器最早是由Tucker-man和Pease于1981年提出,并从理论上证明了水冷却微槽道的散热能力可达1 000W /cm2。 20世纪90年代以来,美国的一些大学如斯坦福大学、加州大学各分校、马里兰大学等和Intel、HP等大公司合作,开始了微细尺度下的探索性研究工作,尤其微尺度传热介质的理论和实验研究。目前,单层微槽道散热器已趋于成熟,为进一步减少压力降,提高芯片温度均匀性而减少热应力,已对双层微槽道进行研究。迄今为止,该领域尚无系统的机理与理论研究,许多问题如低雷诺数下微流体的流动问题及边界条件及连体动力学有特性的热流分析都值得探讨。6.集成热路集成热路的名称是为对应于集成电路,实际上是一个模块化微机械硅散热系统,由微通道冷凝器、微泵驱动、微喷射蒸发器组成,能有效地解决集成电路及其电路器件的散热问题。目前,用于电力电子器件(如IGBT)的大功率集成热路,要求散热能力为600W /cm2,已有研究者理论计算出散热能力可达1 000W /cm2。7.热电致冷热电致冷又称半导体致冷,它的理论依据是利用半导体材料(如Bi2Te3)的Peltier效应。当直流