電子器件散熱技術(shù)解析與應(yīng)用考慮因素

隨著電子器件高頻、高速和集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子元器件的總功率密度急劇增加，而物理尺寸卻越來越小。由此帶來的高溫環(huán)境不可避免地對(duì)電子元器件的性能產(chǎn)生影響，因此需要更有效的熱控制方法。解決電子元器件散熱問題成為當(dāng)前的重點(diǎn)任務(wù)。本文旨在簡(jiǎn)要分析電子元器件的散熱方法。

電子元器件的高效散熱問題主要受傳熱學(xué)和流體力學(xué)原理的影響。電氣器件的散熱是控制電子設(shè)備運(yùn)行溫度，從而保證其溫度性能和安全性的過程。這涉及散熱和材料等多個(gè)方面的內(nèi)容。目前主要的散熱方式包括自然散熱、強(qiáng)制散熱、液體散熱、制冷散熱、疏導(dǎo)散熱和熱管散熱等。

一、自然散熱或冷卻方式

自然散熱或冷卻方式指的是在自然條件下，不依賴任何外部輔助能量的影響，通過局部發(fā)熱器件向周圍環(huán)境散熱的方式進(jìn)行溫度控制。其主要方式包括導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射等幾種集中方式，其中對(duì)流和自然對(duì)流是主要應(yīng)用的方法。自然散熱或冷卻方式主要適用于對(duì)溫度控制要求較低、器件發(fā)熱功率密度相對(duì)較低以及低功耗設(shè)備和組件。在密封和高密度組裝的器件中，無需采用其他冷卻技術(shù)，僅靠自然散熱即可滿足要求。在某些情況下，當(dāng)對(duì)散熱能力要求相對(duì)較低時(shí)，也可以利用電子器件自身的特性，通過增加與附近熱沉之間的導(dǎo)熱或輻射傳遞來優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從而提高系統(tǒng)的散熱能力。

二、強(qiáng)制散熱或冷卻方法

強(qiáng)制散熱或冷卻方法是通過風(fēng)扇等設(shè)備加速電子元器件周圍空氣的流動(dòng)，以帶走熱量的方式。這種方法簡(jiǎn)單方便，效果顯著。如果電子元器件的空間較大，使空氣能夠流動(dòng)或者安裝散熱設(shè)備，就可以采用這種方式。在實(shí)踐中，提高對(duì)流傳熱能力的主要方法如下：合理增加散熱表面積，使散熱表面具有較大的對(duì)流傳熱系數(shù)。

在實(shí)際工程中，增大散熱器表面積的方法得到廣泛應(yīng)用。通過使用翅片等方式擴(kuò)展散熱器表面積，從而增強(qiáng)傳熱效果。翅片散熱方式有不同形式，在某些表面熱耗電子器件和空氣中應(yīng)用換熱器。采用這種方式可以減小熱阻，提高散熱效果。而對(duì)于功率較大的電子器件，則可以采用航空中的擾流方式處理，通過在散熱器中增加擾流片，在散熱器表面的流場(chǎng)中引入擾流，以提升換熱效果。

三、液體冷卻散熱方法

液體冷卻是一種基于芯片和芯片組件的散熱方式。液體冷卻主要分為直接冷卻和間接冷卻兩種方式。間接液體冷卻方式通過將液體冷卻劑與電子元件間接接觸，并利用液體模塊、導(dǎo)熱模塊、噴射液體模塊和液體基板等輔助裝置，在熱源元件之間傳遞熱量。直接液體冷卻方式也稱為浸入冷卻方式，液體直接接觸相關(guān)電子元件，通過冷卻劑吸收和帶走熱量。這種方式主要適用于高熱耗密度或高溫環(huán)境中的器件。

四、散熱或冷卻方法的制冷方法

散熱或冷卻方法的制冷方式主要有相變冷卻和Peltier制冷兩種。它們?cè)诓煌h(huán)境下采用不同的方式，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理應(yīng)用。相變冷卻利用制冷劑的相變吸收大量熱量，可用于特定場(chǎng)合中的電子器件冷卻。一般狀態(tài)下，通過制冷劑的蒸發(fā)來帶走環(huán)境中的熱量，包括容積沸騰和流動(dòng)沸騰兩種類型。在一般情況下，深冷技術(shù)也在電子元器件冷卻中具有重要價(jià)值和影響。對(duì)于功率較大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以采用深冷技術(shù)，提高循環(huán)效率，并具有廣泛的制冷數(shù)量和溫度范圍，整個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊且循環(huán)效率較高。Peltier制冷是通過半導(dǎo)體制冷的方式散熱或冷卻常規(guī)的電子元器件，具有體積小、安裝便捷、質(zhì)量強(qiáng)、易于拆卸的優(yōu)點(diǎn)。這種方式也稱為熱電制冷方式，通過半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)，在直流電通過不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)時(shí)形成電偶，可以通過在電偶兩端吸熱和放熱來實(shí)現(xiàn)制冷效果。這種方式是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù)，穩(wěn)定性較高，但成本相對(duì)較高，效率較低，適用于體積緊湊、對(duì)制冷要求較低的環(huán)境。其散熱溫度≤100℃，冷卻負(fù)載≤300W。

五、散熱或冷卻中的能量轉(zhuǎn)移方式

通過傳熱元件將電子器件釋放的熱量傳遞給另一個(gè)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)散熱或冷卻。隨著電子電路集成化的進(jìn)展，高功率電子器件越來越多，器件尺寸也變得越來越小。因此，散熱裝置本身需要具備良好的散熱條件。熱管技術(shù)由于其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和良好的等溫特性，在電子電氣設(shè)備的散熱領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。熱管具有可變熱流密度和良好的恒溫特性，能快速適應(yīng)不同環(huán)境，具有靈活、高效和可靠的散熱特點(diǎn)。目前，它廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備、電子元器件冷卻以及半導(dǎo)體元件的散熱領(lǐng)域。熱管是一種高效的相變傳熱傳導(dǎo)模式，在電子元器件散熱中得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)踐中，需要根據(jù)不同要求對(duì)熱管進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，并合理分析重力和外力等因素的影響。在熱管設(shè)計(jì)過程中，還需考慮材料、工藝和潔凈度等問題，嚴(yán)格控制產(chǎn)品質(zhì)量，并對(duì)其進(jìn)行溫度監(jiān)控處理。

六、熱管散熱

典型的熱管結(jié)構(gòu)包括管殼、多孔毛細(xì)管芯和工作介質(zhì)。在真空狀態(tài)下，工質(zhì)從蒸發(fā)段吸收熱源釋放的熱量并汽化，在微小的壓差驅(qū)動(dòng)下迅速流向冷凝段，并將潛熱釋放給冷源而凝結(jié)成液體。然后，在吸液芯毛細(xì)抽吸力的作用下，凝結(jié)液從冷凝段返回蒸發(fā)段，并再次吸取熱源釋放的熱量。如此循環(huán)往復(fù)，不斷將熱量從蒸發(fā)段傳遞到冷凝段。熱管最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠在小溫差條件下傳遞大量熱量，其相對(duì)導(dǎo)熱率是銅的幾百倍，并被稱為 "近超導(dǎo)熱體"。然而，每只熱管都存在傳熱極限。當(dāng)蒸發(fā)端產(chǎn)生的熱量超過某個(gè)臨界值時(shí)，熱管內(nèi)的工作介質(zhì)會(huì)完全汽化，導(dǎo)致循環(huán)中斷，熱管失效。由于我國在微型熱管技術(shù)方面尚未成熟，因此在電力電子設(shè)備冷卻中尚未廣泛應(yīng)用該技術(shù)。