功率电子散热技术

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-24 11:33:34 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:散热器 热管

1 引言

现代功率电子设备正在迅速地向高集成度、高密度组装、高运行速度方向发展。作为功率电子设备核心的芯片,工作的主频越来越快,消耗的功耗越来越大,发出的热量也越来越多。若器件的散热能力不强,则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高。

元器件的失效率与其结温成指数关系[1],性能则随结温升高而降低。器件的工作温度每升高10℃,其失效率增加1倍[2]。

因此,为了提高功率电子设备的丁作性能和可靠性,对电子设备进行合理的热设计,采取合理的外部散热措施,显得更加必要和迫切。本文介绍了用于功率电子设备的风冷、水冷、微管道散热器、热管技术等散热技术,阐述了各种散热技术的原理和特点,简要介绍了最新的国内外学者的研究成果。

2 功率电子常用散热技术

目前功率电子设备常用的散热技术有风冷、水冷、微管道散热器、热管技术等。

2.1 风冷

图1是风冷散热器的示意图。利用风冷散热器对电子芯片进行冷却是最简单、最直接、成本最低的散热方式。一般来说,空气冷却或强制风冷技术大多应用在低功耗或中等功耗的器件或电子设备中。目前,采用先进风扇和优化大面积热沉,空气冷却技术的冷却能力可达50W·cm-2[3]。风冷散热器的原理很简单:芯片耗散的热量通过粘结材料传导到金属底座上,再传导到散热片上,通过自然对流或强制对流把热量散发到空气中。

传导和对流是两种主要的传热方式。要在允许的温度条件下将芯片耗散的热量传递到大气环境,可以采取下列方法加强传导和对流散热。

2.1.1 采用导热性能好的材料作散热器

在常见的金属中,银的导热系数最高,但是它的价格着实不菲。现在常用的散热器材料主要是铝和铜。铝价格便宜,密度小,好加工,导热性能良好。相比较而言,铜的导热系数比铝的大,许多散热能力超强的散热器均采用纯铜打造。但铜材料价格昂贵、易氧化,加工成本高。目前出现铜铝复合型散热器,即底部为铜,散热片为铝,具有良好的散热性能和经济性。

2.1.2 增大散热器的散热面积

散热面积越大的散热器,其热容量越大。散热器的肋片越多,其散热表面积越大,这样热量可以散发得更快。不同的肋片高度和肋间距决定了对流面的面积,是影响散热器换热效果的重要因素。肋片的布局关系到散热器内气流组织、换热系数以及应用特点。为了提高换热系数,可以采用波纹状肋面制造紊流。

余小玲等[4]针对平板翅片式散热器存在的不足,提出了一种翅片问设有钉柱的翅柱复合型敞热器。钉柱能够使通过该散热器的气流受到扰动,从而提高其散热性能。在相同的风速下,翅柱式散热器表面的Nusselt数比板翅式散热器高30%~45%;在相同的泵送功率下,翅柱式散热器的收益因子比板翅式散热器约高20%。因此,在相同的工况下,翅柱式散热器具有更好的散热性能,并具有可靠性高、使用成本低的优点,在电子设备的冷却中具有较高的使用价值。

2.1.3 强迫风冷

选择合适的风扇或鼓风机,加快散热片周围空气的流动,可以改善气流组织,提高对流换热系数,从而改善散热效果。

国内外有许多学者对风冷散热器进行了研究。Malhammer[5-7]研究了在给定芯片表面与环境的温差及流速条件下,散热器的散热量随肋间距的变化,并对不同流速下散热器的散热量进行了比较,研究了在给定芯片表面与环境的温差、流速及肋片厚度条件下,散热器散热量随肋问距的变化,对不同肋片厚度的散热器的散热量进行比较。蒋长顺等[8]用CFD软件模拟了具有平板型热沉的三维多芯片组件的热量传递过程和温度分布,得出空气流速、热沉肋片数对芯片最高结点温度的影响。对一定的热沉结构,在强制对流时,增大流体速度,在某一速率范围,热交换率随流速增大的变化比较明显,芯片结点温度下降得比较快,随着流体速度的进一步增大,对改善其热性能的作用会减小。肋片的厚度为常数,随肋片数增多,热沉与流体的接触面积增大,提高了热沉表面的热交换系数,更多的热量町以由空气流体散发到环境中,可以显著地减小芯片的最高结温。

2.2 水冷

水冷又称为液冷。它的散热效率高,热传导率为传统风冷方式的20倍以上,且无风冷散热的高噪音,能较好地解决降温和降噪问题。水冷散热装置大致可分为微型水泵、循环管、吸热盒和散热片四个部分。水冷散热的原理非常简单,如图2所示。水冷散热是一个密闭的液体循环装置,通过泵产生的动力,推动密闭系统中的液体循环,将吸热盒吸收的芯片产生的热量,通过液体的循环,带到面积更大的散热装置,进行散热。冷却后的液体在次回流到吸热设备,如此循环往复。

吸热盒和散热片设计上多采用铜、铝或铜铝复合结构。在吸热盒的设计中,流体与吸热盒之间的吸热盒壁应尽量薄,在吸热盒平行于加热片的剖面上,冷却液与吸热盒间隔壁面积之比应尽量大,加大传热面积。为了减小吸热盒与芯片间的接触热阻,一方面尽量提高吸热盒底面表面光洁度另一方面在接触面之间涂以导热硅脂,安放吸热盒时逐渐与芯片接触,避免接触面之间留存空气。选择冷却液时,必须对冷却液的热传递能力、冰点和黏度、沸点和分解温度、绝缘性能、腐蚀性、可燃性、毒性、费用等加以考虑。常用冷却液有水、乙二醇溶液、盐水、硅油等。

曾平等[9-10]通过实验的方式,测试了以压电泵为动力源的水冷系统内部流量、风扇、组成水冷系统的各部件及冷却液性能对芯片散热效果的影响规律,提出了吸热盒、散热器的设计原则。此种散热器相对风冷散热器,能使芯片更快地达到平衡温度,且平衡温度较低。杨双根等[11]对某大功率组件进行了细致的热分析,设计了液冷组件,在Q=2.5L·min-1时,模型中的流道设计能满足热设计指标,此时的压力损失也较小,符合某同态组件的热设计要求。张旭[12]对某超级计算机的液冷系统进行了设计,选用去离子蒸馏水加铝、铜缓蚀剂及消泡剂作为冷却液,确定系统进水温度为15℃,冷板由LF21防锈铝和防锈铝复合板高温钎焊而成,阐述了液冷系统设计的原则、方法及工程实施过程。

2.3 微管道散热器

微管道由于具有很高的传热系数,可利用其设计电子芯片内部冷却用的水冷式散热器。Tuekerman和Pease[13]首次将微管道刻蚀在VLSI(Very Large Scale Integration)硅芯片的背部并在其顶部装上盖板,冷却液则密封在微管道内,并以此来构造一种新型的微管道散热器。他们的实验表明,当水的流量为10cm3s-1,水的温升为71℃时,冷却热流可高达790W·cm-2。这一冷却能力大大超过了目前已知的常规冷却手段所能达到的水平,因而在芯片冷却应用上,作为高效紧凑型换热器或冷却装置极具优势。

围内外许多学者对微管道散热器进行了研究。Vijay[14]通过一系列假设、简化后,得到了一个可描述微管道散热器中对流传热问题的准二维非线性微分方程。通过求解该方程,即可得出具有最小散热器热阻的微管道优化尺寸。在散热器底部的热载荷均匀分布的条件下,Weisberg等人[15]用共扼法分别分析了微管道散热器中硅衬底表面与微管道内流体的温度场分布,并在此基础上提出了一种微管道几何尺寸的优化算法。Leng[16]利用商用的FLUENT软件分析了微管道中的传热和流动问题,给出了当散热器总热阻被表达为冷却液流量的函数时,微管道、翅片及衬底三者的儿何参数对总热阻的影响。董涛等[17]针对微管道下壁上的热载荷处于均匀分布和非均匀分布两种情况时,分别使用有限元方法对微管道散热器中的管道表面温度、流体温度及总热阻进行计算。陈运生等人[18]设计、加工出了一种电子芯片冷却用的硅制分形微管道网络散热器。在给出分形微管道网络构造过程的基础上,探讨了分形微管道网络内部微流体的换热与压降特l生,理论推算和实验研究表明分形微管道网络散热器比传统的平行微管道阵列型散热器具有更优的传热性能。赵增会和余建祖[19]设计制作了6种不同结构尺寸的微矩形槽道,采用乙醇溶液作为冷却工质,进行了微槽道内单相强迫对流换热性能实验,分析了流体流速、过冷度和微槽结构等对传热特性的影响。徐德好[20]通过对系列尺寸微通道冷板进行分析比较以及试验验证,得到了微通道冷板基础性的设计数据并得到如下结论通道宽度同换热性能密切相关,随着通道宽度尺寸的缩小,换热系数增大。微通道冷板的设计中,通道占空比对换热性能有较大影响,若不计冷板体积的影响,微通道冷板中槽道的高宽比越大,换热性能越好。杨冬梅和徐德好[2l]通过试验验证比较了微通道冷板和常规冷板的流阻性能和换热l生能的差异。微通道冷板的流阻特性相对常规蛇形冷板要差一些,但微通道冷板比常规蛇形冷板具有更加优异的换热性能。对于相同的斥降,微通道冷板的换热性能比常规冷板高很多。这样,采用微通道冷板可以节约冷却液资源,亦为冷却系统的流量分配减轻了压力。

2.4 热管技术

热管是一种传热效率极高的换热元件,冷、热流体间的热量传递是靠热管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程耦合在一起的[22],它的当量热导率可达金属的103~104倍。与传统散热设备相比,热管无需消耗动力、空间尺寸小、冷却能力高,单位面积的传热量高。热管作为一种高效的导热元件,适合高热流密度情况下的散热[23],正可用于电子元件以获得高的热量导出率。目前已知的用于大功率电子元件散热的热管式散热器最高散热功率已达到200 W·cm-2[24]。

出于为电子器件冷却的目的,cotter[25]在1984年提出"微型热管"的概念以来,微型热管的结构,经历了重力型、具有毛细芯的单根热管,到具有一簇平行独立微槽道的平板热管,进而发展到内部槽道簇之问通过蒸汽空间相互连通的形式[24]。

单根热管的典型结构如图3所示,它由管壳、毛细多孔材料、工作液体和散热片组成。将管内空气排除形成真空使填满毛细材料中的微孔充满液体并加以密封。当蒸发段受热时毛细材料中的液体蒸发,通过绝热段流向冷凝段,蒸汽受到冷却凝结成液体,液体沿多孔材料靠毛细材料力的作用流回到蒸发段,如此循环,热量由热管壳传至热管芯,管芯再传给工质,工质再传给冷凝段,冷凝段通过冷凝作用再把热量散发出去。

微槽平板热管的典型结构如图4所示。在矩形金属平板内开出轴向的内腔,在内腔的一侧轴向加工出若干个微型槽道,将适量的工质充入具有一定真空度的热管内腔中并将两端密封。槽道上部是连通的蒸汽腔。当蒸发段受热时微槽中的工质蒸发,通过绝热段流向冷凝段,蒸汽受到冷却凝结成液体,液体沿微型槽道靠毛细力的作用流回到蒸发段,如此循环,热量由热管壳传至工质,工质再传给冷凝段,冷凝段通过冷凝作用再把热量散发出去。
 

近十几年来,微热管技术用于冷却电子元器件得到了很大的发展,国内外有许多学者进行了研究。陶汉中等[12]利用ANSYS软件对某高速芯片模块的热管散热器进行仿真热分析,得出了相应的温度场分布图和热流密度分布图。结果表明:热管散热器能有效地降低高速芯片模块在使用时的温度,增加系统的可靠性,是高速芯片模块散热的一种新方法。殷际英[27]对一种热管式散热器的传热机理、传热路线和各传热阶段的热阻进行了定性分析和定量分析,设计了原理结构,建立了传热模型,导出了总传热系数的计算式,并给出了该热管散热器的设计计算实例。Plesch等人[28]和Cao等人[29]对几种小深宽比的微槽平板热管进行了实验研究,证实了此种热管较好的传热能力。Hopkins等人[30]对 3个几何结构尺寸不同、槽道在整个内壁面分布的铜一水微型热管进行了实验研究,认为大深宽比的槽道使热管具有更好的传热性能。张丽春等[31]用不锈钢、无氧铜两种壳体,加工出具有相互连通的蒸汽通道的矩形微槽道平板热管,对它们的传热特性进行实验研究,分析了热管充液率、工作温度、倾角、冷却方式等多种因素对热管性能的影响,确定了热管最佳充液率的范围。范春利等[32]对三种微槽平板热管的传热性能进行了实验研究,分析了充液率、工质的种类、槽道形状对微槽平板热管传热性能的影响。得到了深槽平板热管的最优充液率范围,证明了深槽平板热管具有更加优良的传热性能。范春利等[33]系统地研究了小充液率条件下重力对微槽平板热管传热性能的影响,分析了工作温度、冷却方式等影响凶素,发现重力对热管径向液膜的分布影响比较小,而对轴向的影响比较明显,从而使得倾角较大地影响了热管的传热能力。进一步证明了深槽平板热管具有良好的传热性能。胡学功等[34]利用微槽群蒸发型热沉技术,设计了一种新颖的用于电子芯片散热的微槽群蒸发器,对影响微槽群蒸发器散热性能的各种因素进行了实验研究。Ponnappan[35]设计、制造一种新型的铜-水微型热管,此热管的毛细芯是用一种金属薄膜折叠而成,制作非常方便。对它的传热性能进行检测,并与文献报道的数据进行对比。Gillot等人[36]推荐使用矩形微槽平板热管为芯片散热,制造并检测了矩形微槽平板热管的传热性能,并研究了充液率、加热功率等影响因素。

3 结论

风冷散热是最简单、最直接、成本最低的散热方式,一般应用在低功耗或中等功耗的器件或电子设备中。目前,空气冷却技术的冷却能力可达50W·cm-2。水冷散热效率高,热传导率为传统风冷方式的20倍以上,且无风冷散热的高噪音,能较好地解决降温和降噪问题。微管道由于具有很高的传热系数,可利用其设计电子芯片内部冷却用的水冷式散热器。热管是一种传热效率极高的换热元件,它的当量热导率可达金属的103-104倍。和传统散热设备相比,热管无需消耗动力、空间尺寸小、冷却能力高,单位面积的传热量高。



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