大熱流密度電子設(shè)備的散熱方法

季愛林，鐘劍鋒，帥立國

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039; 2. 東南大學(xué)， 江蘇 南京 211189；3. 天線與微波技術(shù)國防科技重點實驗室, 江蘇 南京 210039)

大熱流密度電子設(shè)備的散熱方法

季愛林1,2，鐘劍鋒1,3，帥立國2

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039; 2. 東南大學(xué)， 江蘇 南京 211189；3. 天線與微波技術(shù)國防科技重點實驗室, 江蘇 南京 210039)

隨著當(dāng)代電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子產(chǎn)品的熱流密度急劇升高，過高的溫度對電子設(shè)備正常工作的影響也越來越嚴(yán)重，大熱流密度對電子設(shè)備的冷卻技術(shù)提出了更高的要求。文中針對大熱流密度電子設(shè)備的散熱方法，重點介紹了強迫空氣冷卻、熱管、微槽道等現(xiàn)有的散熱方法的工作原理、應(yīng)用方式以及應(yīng)用場合，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)簡要介紹了氣體噴射冷卻、噴霧冷卻和熱電制冷等新型散熱方法在大熱流密度電子設(shè)備中的應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r。

大熱流密度；強迫風(fēng)冷；熱管；微通道冷板；噴霧冷卻

引 言

電子設(shè)備在工作過程中不可避免地會產(chǎn)生熱量，這些熱量使電子器件溫度升高。如果器件溫度過高,電子設(shè)備工作的穩(wěn)定性和可靠性就會受到影響，所以無論電子設(shè)備的功率多大都需要冷卻，不同的是需要根據(jù)電子設(shè)備的熱流密度選擇合適的冷卻方式。目前常用的冷卻方式有自然冷卻、強迫風(fēng)冷、強迫液冷等，主要應(yīng)用在最大表面熱流密度低于1 W/cm2的散熱場合。在溫升為40 ℃的情況下，從實驗經(jīng)驗獲得的各種散熱方法所能處理的最大表面熱流密度為：自然冷卻，0.039 W/cm2；自由對流和輻射冷卻，0.078 W/cm2；強迫空氣冷卻，0.310 W/cm2；直接液體冷卻，0.620 W/cm2；蒸發(fā)冷卻，1.085 W/cm2?？梢钥闯觯煌纳岱椒ㄋ芙鉀Q的熱流密度差別是很大的[1]。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)以及集成電路技術(shù)的發(fā)展，電子器件的功率逐步增大，體積卻朝著小型化的方向發(fā)展，因此電子器件的熱流密度也越來越高[2]，目前已有芯片的熱流密度超過了500 W/cm2。如此高的熱流密度采用常規(guī)的散熱方法(如強迫空氣冷卻和直接液體冷卻)已無法達(dá)到有效的散熱效果，需要采用更有效的散熱方法來解決大熱流密度電子設(shè)備的過熱問題。

本文從現(xiàn)有的電子設(shè)備散熱方法出發(fā)，介紹了強迫空氣冷卻、熱管、微槽道等現(xiàn)有的散熱方法及其應(yīng)用。同時針對大熱流密度電子設(shè)備的散熱問題，對新型的散熱方式，如氣體噴射冷卻、噴霧冷卻和熱電制冷等新型散熱方法進(jìn)行了介紹，為大熱流密度電子設(shè)備散熱提供選擇方案。

1 現(xiàn)有的散熱措施及其應(yīng)用

目前常用的散熱措施有強迫空氣冷卻、熱管、微通道冷板等。強迫空氣冷卻由于其具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、冷卻介質(zhì)(空氣)容易獲得等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在熱流密度低于0.3 W/cm2的電子設(shè)備的散熱系統(tǒng)中。熱管是利用冷卻介質(zhì)在熱端受熱蒸發(fā)帶走汽化潛熱，并在冷凝端放出潛熱，冷卻介質(zhì)液化并在毛細(xì)泵力的作用下回流到熱端的一種散熱裝置。熱管具有結(jié)構(gòu)緊湊、無需外部驅(qū)動力、無需復(fù)雜維護(hù)的優(yōu)點，并且其導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到金屬的數(shù)百倍，較好地解決了小溫差高效傳熱和輕重量等關(guān)鍵問題。微通道冷板散熱器是在定向硅片上或者在基板上利用各向異性蝕刻等技術(shù)制造出微尺度通道，流體在流過微通道時通過蒸發(fā)或者直接將熱量帶走。微通道冷卻技術(shù)的散熱能力遠(yuǎn)高于直接液體冷卻和蒸發(fā)冷卻，可以達(dá)到1 kW/cm2，所以微通道冷板常被應(yīng)用在熱流密度高于500 W/cm2的電子器件的散熱系統(tǒng)中。

1.1 強迫空氣冷卻

由牛頓冷卻公式可知，強迫空氣冷卻的散熱能力與對流熱交換系數(shù)、對流換熱面積、固體表面與流體的溫度差有關(guān)。對于具體的電子設(shè)備機箱的強迫風(fēng)冷設(shè)計，可以根據(jù)式(1)[1]和式(2)來確定機箱冷卻所需的風(fēng)量和風(fēng)壓，并以此為依據(jù)選擇合適的風(fēng)機。

(1)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；Cp為空氣的比熱容, J/(kg·℃)；Φ為熱流量,W；Δt為溫差,℃；Qf為所需的風(fēng)量,m3/s。

(2)

式中：f為機箱內(nèi)沿程阻力系數(shù)；ζ為機箱內(nèi)局部阻力系數(shù)；d0為機箱內(nèi)風(fēng)道的當(dāng)量直徑, m;ω為機箱風(fēng)道的平均風(fēng)速, m/s；P為所需的風(fēng)壓, Pa；

常用的強迫空氣冷卻機箱結(jié)構(gòu)如圖1所示，機箱內(nèi)各個模塊依次安裝在機箱內(nèi)，安裝在機箱底部的風(fēng)機將冷空氣鼓入各模塊之間的通道內(nèi)，冷空氣流過模塊殼體帶走熱量。

圖1 強迫風(fēng)冷機箱結(jié)構(gòu)

如果機箱所處的環(huán)境較惡劣，冷熱溫差較大，就需要采用間接強迫風(fēng)冷將冷空氣與內(nèi)部模塊隔離，以避免空氣凝結(jié)成霧從而腐蝕損壞機箱內(nèi)的模塊。如圖2所示，在機箱兩側(cè)及中間隔板內(nèi)設(shè)置風(fēng)道，風(fēng)道內(nèi)焊接金屬翅片以增大散熱面積，機箱內(nèi)各模塊通過特定的鎖緊裝置安裝在機箱內(nèi)并與機箱的風(fēng)道冷板緊密接觸以將熱量傳導(dǎo)至風(fēng)道冷板上。風(fēng)機從機箱后部將冷空氣鼓入機箱側(cè)壁冷板的風(fēng)道內(nèi)，冷空氣流過翅片，經(jīng)過充分換熱將熱量從機箱前面板上的出風(fēng)口帶出。

圖2 間接風(fēng)冷機箱

強迫空氣冷卻因其結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點常用在地面或者機載冷卻系統(tǒng)中，但空氣的比熱容小，且因受制于風(fēng)機工作時產(chǎn)生的噪音，風(fēng)速不能太大，所以強迫空氣冷卻很難被應(yīng)用到熱流密度超過1 W/cm2的冷卻系統(tǒng)中。

1.2 熱管

典型的熱管在工作時，液體工質(zhì)在蒸發(fā)段被熱流加熱蒸發(fā)，其蒸汽經(jīng)過絕熱段流向冷凝段；在冷凝段蒸汽被管外冷流體冷卻放出潛熱，凝結(jié)為液體；積聚在冷凝段吸液芯中的凝結(jié)液借助吸液芯的毛細(xì)力的作用返回到蒸發(fā)段再吸熱蒸發(fā)，一直如此循環(huán)[1]。圖3為典型熱管的工作原理圖。

圖3 熱管工作原理

熱管根據(jù)其應(yīng)用形式可以分為管狀熱管和平板熱管2種。管狀熱管有圓形、橢圓形或者其他形狀的截面，主要用于將熱量傳至遠(yuǎn)處或形成一個緊湊式的散熱器。在使用時可以將電子元器件直接安裝在熱管上，或者將熱管嵌入平板內(nèi)后再將需散熱的電子元器件安裝在平板上。圖4為平板熱管，平板熱管的管芯能把工作液沿較大的表面分布開，形成一個溫度梯度很小、幾乎等溫的表面。與普通冷板相比，平板熱管可以有效降低冷板上的最高溫度，并增大有效換熱面積，可以用來平衡多排元器件的溫度，并將它們冷卻，適用于集成電路組件和晶體管組件的散熱。

圖4 平板熱管

圖5是Midshipman Britt和W. Boughey在1999年的AD報告中介紹的針對光電發(fā)射機散熱所研制的平板熱管。據(jù)介紹，該平板熱管針對發(fā)射機設(shè)計，以水為工質(zhì)，殼體材料是蒙奈爾銅鎳合金。按發(fā)射機的負(fù)荷和其他要求計算熱管尺寸和所需工質(zhì)量，進(jìn)行理論設(shè)計、計算、推導(dǎo)，并對熱管各個傳熱進(jìn)行計算校核，加工制造出滿足工作溫度約在100 ℃的發(fā)射機穩(wěn)定運行的平板熱管。

圖5 用于光電發(fā)射機散熱的平板熱管

由于熱管具有高導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)構(gòu)緊湊，無需外部驅(qū)動力，所以熱管經(jīng)常被應(yīng)用于高熱流密度小型化的散熱系統(tǒng)。另外，在太空中可以不考慮重力場的影響，這極大地方便了熱管在空間飛行器(如衛(wèi)星、太空飛船等)中的運用。但熱管復(fù)雜的制備工藝卻限制了它的應(yīng)用。

1.3 微通道冷板

通常將水力學(xué)直徑在1～1 000 μm之間的通道或管道定義為微通道[3],流體在流過微通道時通過蒸發(fā)或者直接將熱量帶走。研究表明，液體在微通道內(nèi)被加熱時會迅速發(fā)展為核態(tài)沸騰，此時液體處于一個高度不平衡狀態(tài)，具有很大的換熱能力，通道壁面過熱度也比常規(guī)尺寸下的情況要小得多。在20世紀(jì)80年代初期，美國學(xué)者Tuckerman和Pease提出微尺度散熱器的概念，并從理論上證明了水冷式微通道冷板的散熱能力可以達(dá)到1 000 W/cm2[4]。兩人提出的微通道散熱器的結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。該結(jié)構(gòu)由高導(dǎo)熱系教的材料(例如硅)構(gòu)成，通道寬和通道壁厚均為50 μm， 通道高寬比約為10。實驗表明，當(dāng)水的流量為10 cm3/s，水的溫升為71 ℃時，冷卻熱流高達(dá)790 W/cm2。

圖6 微通道散熱器

微通道冷卻技術(shù)通常被應(yīng)用在冷板上，將發(fā)熱器件安裝在或者緊貼在冷板上，器件產(chǎn)生的熱量通過冷板散發(fā)到外部環(huán)境中。目前美國研制出冷卻液通道寬25 μm、深200 μm，導(dǎo)熱片厚15 μm的微型換熱器，用于衛(wèi)星的溫度控制系統(tǒng)，該換熱器設(shè)計承受的局部熱量大于1 kW/cm2[5]。

當(dāng)前對微通道傳熱機理的解釋為通道的微小尺寸極大地提高了對流換熱系數(shù)，即流體在充分發(fā)展的條件下，換熱系數(shù)反比于通道的當(dāng)量直徑，這是經(jīng)典傳熱學(xué)得出的解釋?？梢韵胂螅捎诹黧w粘性，流體在通過幾十微米的通道時會產(chǎn)生很大的壓力損失。但實際試驗表明：在微通道中流體的流動和傳熱都會出現(xiàn)“超常性”，即微通道因毛細(xì)力引起“熱毛細(xì)現(xiàn)象”而降低流動阻力，由層流向湍流轉(zhuǎn)折的臨界雷諾數(shù)遠(yuǎn)小于常規(guī)值，卻又顯著地提高了換熱強度。因此，當(dāng)前國際上對微通道傳熱技術(shù)的研究成為了熱點[6-8]。

雖然微通道冷卻技術(shù)的散熱能力明顯高于直接液體冷卻和蒸發(fā)冷卻，達(dá)到了1 kW/cm2的級別，但由于迄今為止學(xué)術(shù)界尚無對微通道冷卻的系統(tǒng)機理與理論研究，而且微通道冷板還有一些固有缺點(如進(jìn)出口壓降較大，溫度分布不均[7-8]，加工成本較高)，因而微通道冷卻技術(shù)并沒有被廣泛應(yīng)用到電子設(shè)備的散熱系統(tǒng)中。

2 新型散熱方法

現(xiàn)有的散熱方法雖然可以有效地解決電子設(shè)備的過熱問題，但都存在一些不足，如散熱能力有限或者制備工藝復(fù)雜等，這限制了現(xiàn)有散熱手段在工程中的應(yīng)用。近年來，噴射冷卻、噴霧冷卻以及熱電制冷等新型散熱方式得到了長足的發(fā)展。

2.1 噴射冷卻

強迫空氣的散熱能力只有0.310 W/cm2，已不能滿足大熱流密度電子設(shè)備的散熱要求，但它具有設(shè)計簡單、使用方便、成本低等優(yōu)點，許多科學(xué)家都力求在這種技術(shù)上有所突破，提高它的冷卻能力。

喬治亞理工大學(xué)封裝研究中心所研究的噴射冷卻技術(shù)是在噴射冷卻時氣流垂直于芯片表面沖擊傳熱表面，沖擊處的速度和溫度邊界層很薄，因而具有很高的傳熱率。噴射冷卻是風(fēng)冷技術(shù)的重大進(jìn)展，它能使風(fēng)冷散熱能力超過10 W/cm2[2]。

噴射冷卻主要是為冷卻單芯片和多芯片組件而研制的。圖7為IBM4381多芯片組件采用空氣噴射冷卻的方案，芯片尺寸為4.6 mm × 4.6 mm，熱耗為3.8 W，模塊的尺寸為64 mm × 64 mm，高40 mm，熱耗為90 W。陶瓷蓋帽與芯片之間襯墊一層導(dǎo)熱膏，散熱器為空心針狀，用沖擊氣流噴射冷卻，當(dāng)氣流量為200 L/s時，芯片溫度低于90 ℃，芯片至空氣的平均熱阻為17 ℃/W。

圖7 氣體噴射冷卻

2.2 噴霧冷卻

雖然氣體噴射冷卻將空氣冷卻的散熱能力提高了一個量級，但是在熱流密度高于100 W/cm2時,氣體噴射冷卻已經(jīng)無法提供有效的散熱保證。將氣體噴霧冷卻中的冷卻介質(zhì)換為液體便發(fā)展為一種新的冷卻方式—— 噴霧冷卻[9-10]。

噴霧冷卻方法是相變冷卻方法中的一種，是目前最有效最有前景的冷卻方法之一。如圖8所示, 噴頭將冷卻液體霧化噴射到需散熱的器件上并在器件表面形成一層連續(xù)的冷卻薄膜。冷卻液體受熱蒸發(fā)帶走器件產(chǎn)生的熱量，蒸汽在冷凝器中重新液化并通過泵輸送到噴霧裝置中，從而形成一個循環(huán)。噴霧冷卻常被用于飛機和宇航系統(tǒng)的散熱，用以降低灌封的流體重量。

圖8 噴霧冷卻

研究表明[11]，當(dāng)工質(zhì)為碳氟類物質(zhì)(如FC-87，F(xiàn)C-72)、醇類溶液和水時，光滑表面的噴霧冷卻臨界熱流密度可分別達(dá)到90 W/cm2、490 W/cm2和500 W/cm2。目前國外已經(jīng)在熱流密度高達(dá)500 W/cm2的芯片中運用噴霧冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用FC-72冷卻液，能夠保證在極端環(huán)境溫度下芯片的溫度不超過75 ℃。美軍EA-6B飛機雷達(dá)中也運用了噴霧冷卻技術(shù)。圖9為一種采用噴霧冷卻技術(shù)的電子設(shè)備。從圖9中可以看出,噴霧冷卻系統(tǒng)在提高散熱能力的同時, 其系統(tǒng)的復(fù)雜程度也大大提高，整個系統(tǒng)由驅(qū)動泵、噴頭、冷凝器等部分組成，由于整個工作循環(huán)是密閉的，所以必須考慮回路的密封性。另外，因冷卻介質(zhì)直接噴射到需散熱的器件上，所以必須考慮材料的相容性，以免腐蝕損傷器件，目前常用的冷卻介質(zhì)是氟碳化合物，其物性參數(shù)見表1。

圖9 噴霧冷卻

特性參數(shù)FC-87FC-72FC-77水在1.01×105Pa下的沸點/℃305697100密度(×10-3)/(kg·m-3)1.6331.6801.7800.997比熱容(×10-3)/(J·kg-1·K-1)1.0881.0881.1724.179導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1·K-1)0.05510.05450.0570.613動力粘度(×104)/(kg·m-1·s-1)4.204.504.508.55汽化熱(×10-4)/(J·kg-1)8.798.798.37243.8表面張力(×103)/(N·m-1)8.908.508.0058.9體膨脹系數(shù)(×103)/K-11.601.601.400.20介電常數(shù)1.711.721.7578.0

2.3 熱電制冷

任何2種不同的導(dǎo)體組成一對電偶并通以直流電時，在電偶的接合處就會發(fā)生吸熱或放熱的現(xiàn)象。這種效應(yīng)在金屬中表現(xiàn)很弱，但在半導(dǎo)體中十分顯著。如圖10所示的熱電制冷原理[12]，當(dāng)電流從N極流向P極時，在b、c端產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，在a、d端則產(chǎn)生放熱現(xiàn)象。熱電制冷具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便、無振動無噪音等優(yōu)點，并且不需要冷卻劑，其制冷量和制冷速率可以通過調(diào)整電流大小來調(diào)整。它在恒溫和功率密度大的系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，同時還可以用來冷卻低溫超導(dǎo)電子器件。

圖10 熱電制冷原理

圖11是一種熱電制冷散熱器的結(jié)構(gòu)，芯片安裝在基板上，熱電模塊壓裝在芯片上，在兩者之間墊上一層熱接觸材料以減小芯片與熱電模塊之間的接觸熱阻，熱電模塊從芯片上吸收的熱量通過熱沉釋放到外部環(huán)境中。

圖11 熱電制冷散熱器

美國新澤西州的Medcon公司利用高性能半導(dǎo)體晶體材料制成熱偶固態(tài)泵系列散熱產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的制冷原理與氟里昂蒸汽壓縮機或吸熱式冰箱相同。熱電偶被當(dāng)作催化劑使用，它在電路上采用串聯(lián)、在熱路上采用并聯(lián)的方式。電流經(jīng)過熱泵時,會在熱電偶兩端產(chǎn)生超過70 ℃的溫度差。在這樣的單元中，熱量從一個個區(qū)域轉(zhuǎn)移到一個溫度較高、被稱為“散熱區(qū)”的地方，并從那里散發(fā)到空氣中。

在熱電制冷的基礎(chǔ)上發(fā)展出新型的冷卻方式，文獻(xiàn)[13]探討了電子設(shè)備熱電水冷卻裝置的散熱性能、熱負(fù)荷對熱電冷卻器的影響，并對現(xiàn)有熱電裝置的冷卻性能進(jìn)行了實驗和理論上的驗證，其實驗裝置如圖12所示。

圖12 熱電水冷卻裝置示意圖

但熱電制冷系統(tǒng)重量大、效率較低?？朔犭娭评渲评淞啃『椭评湎禂?shù)低的不足，提高制冷器能效比及其經(jīng)濟性，是熱電制冷設(shè)計和使用的關(guān)鍵。

3 結(jié)束語

當(dāng)今電子技術(shù)的飛速發(fā)展使電子設(shè)備的熱流密度越來越高，電子設(shè)備的散熱問題已經(jīng)成為制約電子技術(shù)發(fā)展的一個關(guān)鍵問題。本文主要介紹了現(xiàn)有的強迫風(fēng)冷、熱管以及微通道冷板等散熱技術(shù)的應(yīng)用情況，并簡要介紹了氣體噴射冷卻、噴霧冷卻和熱電制冷等新型散熱方式的優(yōu)點及不足。隨著技術(shù)的進(jìn)步，新型散熱技術(shù)的發(fā)展會越來越成熟，大熱流密度電子設(shè)備的散熱問題將得到更好的解決。

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季愛林(1988-)，男，碩士，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

鐘劍鋒(1967-)，男，研究員級高級工程師，主要從事天線及微波結(jié)構(gòu)技術(shù)研究。

帥立國(1972-)，男，教授，博導(dǎo)，主要從事無損檢測與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究。

Cooling Measures of High Flux Electronic Equipment

JI Ai-lin1,2，ZHONG Jian-feng1,3，SHUAI Li-guo2

(1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China;2. Southeast University, Nanjing 211189, China;3. National Key Laboratory of Antenna and Microwave Technology, Nanjing 210039, China)

With the fast development of the electronic technology, the flux of electronic products becomes higher and higher. And the effect of high temperature on normal work of the electronic equipment is becoming more and more serious. Higher requirements for cooling technology for the electronic equipment are necessary due to high heat flux. This paper introduces in detail the operation principle and applications of some high performance cooling measures such as forced air cooling, heat pipe and micro channel cooling. Combined with the related literature, this paper also briefly introduces the application of new cooling methods such as the gas jet cooling, spray cooling and thermoelectric refrigeration to electronic equipment with high heat flux.

high heat flux; forced air cooling; heat pipe; micro channel cooling; liquid spray cooling

2013-09-05

國防基礎(chǔ)科研重點項目(JCKY2013210B004)

TN305.94

A

1008-5300(2013)06-0030-06