電子元器件如何高效散熱

隨著電子器件的高頻、高速以及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，電子元器件的總功率密度大幅度增長(zhǎng)而物理尺寸卻越來(lái)越小，熱流密度也隨之增加，所以高溫的溫度環(huán)境勢(shì)必會(huì)影響電子元器件的性能，這就要求對(duì)其進(jìn)行更加高效的熱控制。如何解決電子元器件的散熱問(wèn)題是現(xiàn)階段的重點(diǎn)。因此，本文對(duì)電子元器件的散熱方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。

電子元器件的高效散熱問(wèn)題，受到傳熱學(xué)以及流體力學(xué)的原理影響。電氣器件的散熱就是對(duì)電子設(shè)備運(yùn)行溫度進(jìn)行控制，進(jìn)而保障其工作的溫度性以及安全性，其主要涉及到了散熱、材料等各個(gè)方面的不同內(nèi)容?，F(xiàn)階段主要的散熱方式主要就是自然、強(qiáng)制、液體、制冷、疏導(dǎo)、熱管等方式。

一、自然散熱或冷卻方式

自然散熱或者冷卻方式就是在自然的狀況之下，不接受任何外部輔助能量的影響，通過(guò)局部發(fā)熱器件以周圍環(huán)境散熱的方式進(jìn)行溫度控制，其主要的方式就是導(dǎo)熱、對(duì)流以及輻射集中方式，而主要應(yīng)用的就是對(duì)流以及自然對(duì)流幾種方式。其中自然散熱以及冷卻方式主要就是應(yīng)用在對(duì)溫度控制要求較低的電子元器件、器件發(fā)熱的熱流密度相對(duì)較低的低功耗的器材以及部件之中。在密封以及密集性組裝的器件中無(wú)需應(yīng)用其他冷卻技術(shù)的狀態(tài)之中也可以應(yīng)用此種方式。在一些時(shí)候，對(duì)于散熱能力要求相對(duì)較低的時(shí)候也會(huì)利用電子器件自身的特征，適當(dāng)?shù)脑黾悠渑c臨近的熱沉導(dǎo)熱或者輻射影響，在通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化自然對(duì)流，進(jìn)而增強(qiáng)系統(tǒng)的散熱能力。

二、強(qiáng)制散熱或冷卻方法

強(qiáng)制散熱或冷卻方法就是通過(guò)風(fēng)扇等方式加快電子元器件周邊的空氣流動(dòng)，帶走熱量的一種方式。此種方式較為簡(jiǎn)單便捷，應(yīng)用效果顯著。在電子元器件中如果其空間較大使得空氣流動(dòng)或者安裝一些散熱設(shè)施，就可以應(yīng)用此種方式。在實(shí)踐中，提升此種對(duì)流傳熱能力的主要方式具體如下：要適當(dāng)?shù)脑黾由岬目偯娣e，要在散熱表面產(chǎn)生相對(duì)較大的對(duì)流傳熱系數(shù)。

在實(shí)踐中，增大散熱器表面散熱面積的方式應(yīng)用較為廣泛。在工程中主要就是通過(guò)翅片的方式拓展散熱器的表面面積，進(jìn)而強(qiáng)化傳熱效果。而翅片散熱方式可以分為不同的形式，在一些熱耗電子器件的表面以及空氣中應(yīng)用的換熱器件。應(yīng)用此種模式可以減少熱沉熱阻，也可以提升其散熱的效果。而對(duì)于一些功率相對(duì)較大的電子期間，則可以應(yīng)用航空中的擾流方式進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)散熱器中增加擾流片，在散熱器的表面流場(chǎng)中引入擾流則可以提升換熱的效果。

三、液體冷卻散熱方法

對(duì)電子元器件中應(yīng)用液體冷卻的方法進(jìn)行散熱處理，是一種基于芯片以及芯片組件形成的散熱方式。液體冷卻主要可以分為直接冷卻以及間接冷卻兩種方式。間接液體冷卻方式就是其應(yīng)用的液體冷卻劑與直接與電子元件進(jìn)行接觸，通過(guò)中間的媒介系統(tǒng)，利用液體模塊、導(dǎo)熱模塊、噴射液體模塊以及液體基板等輔助裝置在發(fā)射的熱元件中之間的進(jìn)行傳遞。直接的液體冷卻方式也可以稱之為浸入冷卻方式，就是將液體與相關(guān)電子元件直接接觸，通過(guò)冷卻劑吸收熱量并且?guī)ё邿崃浚饕褪窃谝恍岷捏w積密度相對(duì)較高或者在高溫環(huán)境中應(yīng)用的器件。

四、散熱或冷卻方法的制冷方法

散熱或冷卻方法的制冷方法主要有制冷劑的相變冷卻以及Pcltier制冷兩種方式，在不同的環(huán)境中其采取的方式也是不同的，要綜合實(shí)際狀況合理應(yīng)用。制冷劑的相變冷卻就是一種通過(guò)制冷劑的相變作用吸收大量熱量的方式，可以在一些特定的場(chǎng)合中冷卻電子器件。而一般狀態(tài)主要就是通過(guò)制冷劑蒸發(fā)帶走環(huán)境中的熱量，其主要包括了容積沸騰以及流動(dòng)沸騰兩種類型。在一般狀況之下，深冷技術(shù)也在電子元器件的冷卻中有著重要的價(jià)值與影響。在一些功率相對(duì)較大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中則可以應(yīng)用深冷技術(shù)，不僅僅可以提升循環(huán)效率，其制冷的數(shù)量以及溫度范圍也較為廣泛，整個(gè)機(jī)器設(shè)備的結(jié)構(gòu)相對(duì)的較為緊湊且循環(huán)的效率也相對(duì)較高。Pcltier制冷通過(guò)半導(dǎo)體制冷的方式散熱或者冷卻處理一些常規(guī)性的電子元器件，具有裝置體積小、安裝便捷且質(zhì)量較強(qiáng)、便于拆卸的優(yōu)勢(shì)。此種方式也稱之為稱熱電制冷方式，就是通過(guò)半導(dǎo)體材料自身的Pcltier效應(yīng)，在直流電通過(guò)不同的半導(dǎo)體材料在串聯(lián)的作用之下形成電偶，可以通過(guò)在電偶兩端吸收熱量、放出熱量，這樣就可以實(shí)現(xiàn)制冷的效果。此種方式是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù)與手段，其穩(wěn)定性相對(duì)較高，但是因?yàn)槠涑杀鞠鄬?duì)較高，效率也相對(duì)較低，在一些體積相對(duì)較為緊湊，且對(duì)于制冷要求較低的環(huán)境中應(yīng)用。其散熱溫度≤100℃；冷卻負(fù)載≤300W。

五、散熱或冷卻中的能量疏導(dǎo)方式

通過(guò)傳遞熱量的傳熱元件將電子器件散發(fā)的熱量傳遞給另一個(gè)環(huán)境中。而在電子電路集成化的過(guò)程中，大功率的電子器件逐漸增加，電子器件的尺寸也越來(lái)越小。對(duì)此，這就要求散熱裝置自身要具有一定的散熱條件，而散熱裝置自身也要具有一定的散熱條件。因?yàn)闊峁芗夹g(shù)其自身具有一定的導(dǎo)熱性特征，具有良好的等溫性特征，在應(yīng)用中具有熱流密度可變性且恒溫特性良好、可以快速適應(yīng)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，在電子電氣設(shè)備的散熱中應(yīng)用較為廣泛，可以有效的滿足散熱裝置的靈活、高效率且可靠性的特征，現(xiàn)階段在電氣設(shè)備、電子元器件冷卻以及半導(dǎo)體元件的散熱方面中應(yīng)用較為廣泛。熱管是一種高效率且通過(guò)相變傳熱方式進(jìn)行熱傳導(dǎo)的模式，在電子元器件散熱中應(yīng)用較為廣泛。在實(shí)踐中，必須要對(duì)不同的種類要求，對(duì)熱管進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)，分析重力以及外力等因素的影響等合理設(shè)計(jì)。而在進(jìn)行熱管設(shè)計(jì)過(guò)程中要分析制作的材料、工藝以及潔凈度等問(wèn)題，要嚴(yán)格控制產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)其進(jìn)行溫度監(jiān)控處理。

六、熱管散熱

典型的熱管由管殼、多孔毛細(xì)管芯和工作介質(zhì)組成。工質(zhì)在真空狀態(tài)下從蒸發(fā)段吸收熱源產(chǎn)生的熱量汽化后，在微小的壓差作用下，迅速流向冷凝段，并向冷源放出潛熱而凝結(jié)成液體凝結(jié)液再在吸液芯毛細(xì)抽吸力的作用下從冷凝段返回蒸發(fā)段，再吸取熱源產(chǎn)生的熱量。如此循環(huán)往復(fù)，不斷將熱量自蒸發(fā)段傳遞向冷凝段。熱管最大的優(yōu)點(diǎn)是能在溫差很小的情況下傳遞大量熱量，其相對(duì)導(dǎo)熱率是銅的幾百倍被稱為“近超導(dǎo)熱體”，但任何一只熱管都存在傳熱極限，當(dāng)蒸發(fā)端的發(fā)熱量超過(guò)某極限值時(shí)，熱管內(nèi)的工作介質(zhì)便會(huì)全部汽化，導(dǎo)致循環(huán)過(guò)程中斷熱管失效。由于目前我國(guó)在微型熱管的技術(shù)方面還不成熟，使得熱管在電力電子設(shè)備冷卻中還沒(méi)有得以廣泛的應(yīng)用。