電子器件散熱技術解析與應用 | 氮化硼導熱片

隨著電子器件高頻、高速和集成電路技術的迅猛發(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前的重點任務。本文旨在簡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和流體力學原理的影響。電氣器件的散熱是控制電子設備運行溫度，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方面的內(nèi)容。目前主要的散熱方式包括自然散熱、強制散熱、液體散熱、制冷散熱、疏導散熱和熱管散熱等。

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)境散熱的方式進行溫度控制。其主要方式包括導熱、對流和輻射等幾種集中方式，其中對流和自然對流是主要應用的方法。自然散熱或冷卻方式主要適用于對溫度控制要求較低、器件發(fā)熱功率密度相對較低以及低功耗設備和組件。在密封和高密度組裝的器件中，無需采用其他冷卻技術，僅靠自然散熱即可滿足要求。在某些情況下，當對散熱能力要求相對較低時，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熱或輻射傳遞來優(yōu)化結構，從而提高系統(tǒng)的散熱能力。

二、強制散熱或冷卻方法

強制散熱或冷卻方法是通過風扇等設備加速電子元器件周圍空氣的流動，以帶走熱量的方式。這種方法簡單方便，效果顯著。如果電子元器件的空間較大，使空氣能夠流動或者安裝散熱設備，就可以采用這種方式。在實踐中，提高對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流傳熱系數(shù)。

在實際工程中，增大散熱器表面積的方法得到廣泛應用。通過使用翅片等方式擴展散熱器表面積，從而增強傳熱效果。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用換熱器。采用這種方式可以減小熱阻，提高散熱效果。而對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。它們在不同環(huán)境下采用不同的方式，應根據(jù)實際情況進行合理應用。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沸騰兩種類型。在一般情況下，深冷技術也在電子元器件冷卻中具有重要價值和影響。對于功率較大的計算機系統(tǒng)，可以采用深冷技術，提高循環(huán)效率，并具有廣泛的制冷數(shù)量和溫度范圍，整個設備結構緊湊且循環(huán)效率較高。Peltier制冷是通過半導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、易于拆卸的優(yōu)點。這種方式也稱為熱電制冷方式，通過半導體材料的Peltier效應，在直流電通過不同半導體材料串聯(lián)時形成電偶，可以通過在電偶兩端吸熱和放熱來實現(xiàn)制冷效果。這種方式是一種產(chǎn)生負熱阻的制冷技術，穩(wěn)定性較高，但成本相對較高，效率較低，適用于體積緊湊、對制冷要求較低的環(huán)境。其散熱溫度≤100℃，冷卻負載≤300W。

五、散熱或冷卻中的能量轉移方式

通過傳熱元件將電子器件釋放的熱量傳遞給另一個環(huán)境，以實現(xiàn)散熱或冷卻。隨著電子電路集成化的進展，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。熱管技術由于其優(yōu)異的導熱性能和良好的等溫特性，在電子電氣設備的散熱領域得到廣泛應用。熱管具有可變熱流密度和良好的恒溫特性，能快速適應不同環(huán)境，具有靈活、高效和可靠的散熱特點。目前，它廣泛應用于電氣設備、電子元器件冷卻以及半導體元件的散熱領域。熱管是一種高效的相變傳熱傳導模式，在電子元器件散熱中得到廣泛應用。在實踐中，需要根據(jù)不同要求對熱管進行獨立設計，并合理分析重力和外力等因素的影響。在熱管設計過程中，還需考慮材料、工藝和潔凈度等問題，嚴格控制產(chǎn)品質(zhì)量，并對其進行溫度監(jiān)控處理。

六、熱管散熱

典型的熱管結構包括管殼、多孔毛細管芯和工作介質(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，在微小的壓差驅動下迅速流向冷凝段，并將潛熱釋放給冷源而凝結成液體。然后，在吸液芯毛細抽吸力的作用下，凝結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，不斷將熱量從蒸發(fā)段傳遞到冷凝段。熱管最大的優(yōu)點是能夠在小溫差條件下傳遞大量熱量，其相對導熱率是銅的幾百倍，并被稱為 "近超導熱體"。然而，每只熱管都存在傳熱極限。當蒸發(fā)端產(chǎn)生的熱量超過某個臨界值時，熱管內(nèi)的工作介質(zhì)會完全汽化，導致循環(huán)中斷，熱管失效。由于我國在微型熱管技術方面尚未成熟，因此在電力電子設備冷卻中尚未廣泛應用該技術。