電子器件的散熱技術及其計算方法

翁建華，舒宏坤，崔曉鈺

（1.上海電力學院能源與機械工程學院，上?！?00090；2.上海理工大學能源與動力工程學院，上?！?00093）

電子器件的散熱技術及其計算方法

翁建華1，舒宏坤1，崔曉鈺2

（1.上海電力學院能源與機械工程學院，上海200090；2.上海理工大學能源與動力工程學院，上海200093）

介紹了電子器件散熱中常用的部件，包括熱管、散熱器、微型風扇等，以及為滿足不斷提高的熱流密度而出現(xiàn)的新型散熱部件，如振蕩熱管、微槽道散熱器等。同時，結合電子器件散熱特點，總結了散熱計算的一些方法。這些計算方法是進行產(chǎn)品熱設計和熱分析的重要工具。

電子器件；熱設計；散熱；計算方法

0　引言

電子器件的散熱方式有導熱、對流和輻射，而對流又分為自然對流和強制對流。按散熱所使用的介質，又可分為氣體散熱和液體散熱；按是否使用運動部件，散熱又有被動和主動之分。比如，室內(nèi)照明用大功率LED主要通過空氣自然對流、被動方式進行散熱，而微型和小型計算機CPU則主要通過空氣冷卻、主動方式進行散熱［1，2］。隨著電子技術的快速發(fā)展，電子元器件的集成度越來越高，熱流密度越來越大，散熱問題也越來越突出。因此，電子器件的散熱問題也越來越引起產(chǎn)品設計人員的重視。本文介紹電子產(chǎn)品常用的散熱部件及其發(fā)展、以及散熱問題的一些計算方法，供設計人員參考。

1　散熱技術

電子器件散熱常用部件主要有熱管、散熱器、微型風扇等，近年來又出現(xiàn)了一些新型散熱部件和散熱材料，如振蕩熱管、平板型熱管、石墨材料、微槽道等，以滿足高熱流密度電子元器件散熱的需要。

1.1熱管

普通熱管由管殼、吸液芯等組成，管內(nèi)充有適量的工作介質。熱管內(nèi)的工作介質在蒸發(fā)段吸收熱量，由液態(tài)蒸發(fā)為汽態(tài)，在管的冷凝段釋放熱量，由汽態(tài)凝結為液態(tài)，再由吸液芯回流至蒸發(fā)段，熱量就由熱管的一側傳遞至另一側［3］。熱管是一種高效的傳熱元件，其傳熱熱阻很低，如用于某型號筆記本電腦的熱管其傳熱熱阻僅為0.016K/W。

振蕩熱管又稱脈動熱管，由小管徑蛇形彎管及彎管內(nèi)的工作介質組成，并有回路型（looped）振蕩熱管和開式（unlooped）振蕩熱管之分。圖1為回路型振蕩熱管示意圖。熱管在加熱段吸收熱量，在冷卻段釋放熱量，并在管內(nèi)形成交替出現(xiàn)的液塞和汽泡，以維持管內(nèi)流體的流動［4］。振蕩熱管要求管子直徑較小，內(nèi)徑在0.5～3mm之間，且有多個彎頭［5］。振蕩熱管的優(yōu)點是結構簡單，無需吸液芯即可使工質在管內(nèi)循環(huán)，制作成本低，適應性好，可靈活布置。目前在啟動特性、管內(nèi)工質以及電子器件散熱應用方面都有較多研究［6，7］。

1.2散熱器

普通散熱器有若干肋片組成，散熱器與電子器件之間直接或通過熱管等方式間接相連接，散熱器的材質一般選用導熱性能好的銅或鋁。電子器件產(chǎn)生的熱量最終通過散熱器散失到周圍環(huán)境中。為滿足高熱流密度電子器件的散熱，近年來出現(xiàn)了水力直徑小于幾百微米的微槽道散熱器［8，9］。微槽道基板材料可以是導熱性能良好的金屬材料，也可以是半導體材料，如銅和硅。在以水為介質，槽寬50μm的微槽道熱沉上，可實現(xiàn)熱流密度達790W/cm2的散熱［10］。對微槽道散熱技術，包括微槽道內(nèi)的流動與換熱特性、微槽道的結構型式以及加工工藝等目前國內(nèi)外都有大量的研究［11～13］。

圖1　回路型振蕩熱管Fig.1 Looped pulsating heat pipe（PHP）

1.3微型風扇

在進行空氣強制對流散熱時，離不開微型風扇。微型風扇的特點之一是尺寸小，如用于散熱的某型號微型風扇，其外殼厚度5mm，出口寬度40mm，葉輪直徑僅為18.3mm。這是由于電子產(chǎn)品體積小，留給散熱用的空間十分有限。另外，微型風扇還具有流量小、壓力低等特點。

1.4導熱填料

從微觀上看，固體間的接觸存在間隙。這些間隙通常被氣體所填充，由此產(chǎn)生接觸熱阻。影響接觸熱阻的因素包括固體間壓力的大小、固體表面平整度、溫度等［14］。為減小固體間的接觸熱阻，可在兩固體表面間填充導熱填料。導熱填料可以是金屬如鋁箔、銦箔，也可以是導熱膏等。固體表面間填充導熱填料后可大大減小接觸熱阻。

2　計算方法

運用傳熱學和流體力學相關理論和實驗結果，對電子器件散熱進行分析和計算，并在此基礎上進行一定的測試和試驗，必要時輔以數(shù)值模擬，是進行產(chǎn)品熱設計的有效方法。對電子器件散熱的分析和計算，是獲得好的熱設計所不可或缺的重要步驟。

2.1微型風扇工作點的確定

圖2　某型號筆記本電腦微型風扇的工作點Fig.2 Operating point of a miniature fan for laptop

在采用強制對流進行散熱時，空氣流量以及流速是由微型風扇的工作點所確定的，而微型風扇的工作點則是系統(tǒng)阻抗特性曲線和微型風扇性能曲線的交點［15］，如圖2所示。系統(tǒng)阻抗特性曲線由試驗得到，微型風扇性能曲線則由供應商提供或測試得到。

圖3　豎直布置矩形等截面肋片F(xiàn)ig.3 Vertical rectangular fins with constant cross-sectional area

2.2對流換熱的計算

對流換熱有自然對流和強制對流之分。散熱器肋片材料一般采用導熱性能好的銅或鋁，可假設溫度均勻，即等壁溫表面。對圖3所示豎直平行平板自然對流換熱，平均努賽爾數(shù)［16］可按下式計算：

式中：Ras—瑞利（Rayleigh）數(shù)；S—肋片間距（m）；L—肋高（m）。強制對流條件下，散熱器相鄰肋片組成若干換熱通道?？諝饬鹘?jīng)散熱器的總換熱量可由下式計算：

式中：N—通道個數(shù)；m·—空氣流經(jīng)單個通道的質量流量（kg/s）；Cp—空氣比熱容（J/kg·℃）；Tw，Ti分別為肋片表面溫度及空氣入口溫度（℃）；A—單個通道的換熱面積（m2）；h—空氣與壁面間的對流換熱系數(shù)（W/m2·℃）。

散熱器肋片組成的換熱通道一般可近似為矩形截面，因此可按流體流經(jīng)矩形截面通道的對流換熱關聯(lián)式計算努賽爾數(shù)，再計算對流換熱系數(shù)。當散熱器沿流動方向的尺寸較小，即通道沿流動方向的距離較短時，需考慮入口段對換熱的影響。

當通道的長寬比大于10時，努賽爾數(shù)可按流體流經(jīng)平行平板進行計算。等壁溫條件下，流體流經(jīng)平行平板，并考慮入口段影響，且入口段為流動與換熱同時發(fā)展層流流動的對流換熱平均努賽爾數(shù)可由下式計算［17］:

2.3輻射換熱的計算

常用電子器件的散熱以對流換熱為主，但在一些情況下輻射換熱不能忽略。如圖4所示LED散熱器肋片對環(huán)境的輻射換熱，計算時可將除兩肋片表面、肋根表面以外的其它表面看成一個表面，由四個表面組成一封閉空腔進行輻射計算?？紤]到散熱器材料良好的導熱性能，輻射計算時可假設肋片表面、肋根表面溫度相同。

圖4　輻射計算表面Fig.4 Surfaces for radiation calculation

2.4熱網(wǎng)絡法

將研究對象劃分成若干個單元體，每個單元體為一個節(jié)點，并假設每個單元體內(nèi)的溫度均勻，建立并求解節(jié)點熱平衡方程，這種熱分析計算方法稱為熱網(wǎng)絡法［18］。圖5為筆記本電腦散熱模組的熱網(wǎng)絡圖，其中Rch、Rnh、Rcp、Rnp分別為CPU中心至熱管、北橋中心至熱管、CPU中心至PCB板、北橋中心至PCB板的熱阻；Rhp、Rtim分別為熱管和導熱填料的熱阻；tc、tnb、tp1、tp2分別為CPU中心、北橋中心以及CPU、北橋處PCB板的溫度；thp1、thp2、thx分別為熱管蒸發(fā)段、冷凝段、散熱器表面的溫度。熱阻阻值可通過熱阻測試儀測得或由相關文獻資料獲得。按熱網(wǎng)絡圖可建立相應的節(jié)點網(wǎng)絡方程，在散熱量給定的條件下，可計算出CPU和北橋的中心溫度［2］。同樣，LED等的散熱也可以用熱網(wǎng)絡法進行分析計算［19］。

圖5　散熱模組熱網(wǎng)絡圖Fig.5 Diagram of thermal network for heat dissipation module

3　結束語

電子元器件集成度的提高以及電子產(chǎn)品小型化的趨勢，給散熱技術提出了挑戰(zhàn)。為適應這種變化，出現(xiàn)了一些新型散熱部件如振蕩熱管、微槽道散熱器等，以解決高熱流密度甚至超高熱流密度電子器件的散熱問題。另一方面，對這些散熱部件內(nèi)流體流動與傳熱的研究，進一步拓展了人們對于流動與傳熱的認識。目前，盡管在新型熱管、微槽道等方面的研究已有不少，但無論是理論還是實際應用，仍需更進一步的研究和完善。

散熱計算方法是進行產(chǎn)品散熱設計的重要手段。電子器件散熱中的流動與換熱現(xiàn)象有其特點，比如尺度小、金屬材料的熱導率高等。充分考慮這些特點并進行適當簡化，運用傳熱與流體流動基本原理以及相應的實驗關聯(lián)式，對散熱方案進行分析和計算，并結合一定的試驗進行驗證，必要時再輔以數(shù)值模擬，是獲得好的散熱設計的有效方法。

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Heat Dissipation Technology for Electronic Devices and Its Calculation Methods

WENG Jian-Hua1，SHU Hong-Kun1，CUI Xiao-Yu2
（1.School of Energy&Mechanical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China；

2.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Several components currently used for electronic devices heat dissipation have been presented，including heat pipe，heat exchanger and miniature fan，etc..New components which are intended to meet the increasingly high heat flux，such as PulsatingHeatPipe（PHP），heat exchanger with microchannel，etc.，have been discussed.Furthermore，on the basis of the specialties of heat dissipation for electronic devices，calculation methods are summarized.These calculation methods provide useful tools for thermal design and thermal analysis of related products.

electronic devices；thermal design；heat dissipation；calculation methods

TK124

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.06.015

1002-6673（2015）06-042-03

2015-08-22

上海市自然科學基金資助項目（14ZR1429100）

翁建華（1968-），男，江蘇吳江人，博士，副教授。研究方向：電子器件散熱技術及計算方法，傳熱與流體流動；舒宏坤（1990-），男，浙江新昌人，在讀碩士研究生。研究方向：傳熱與流體流動。