电子器件冷却技术概况与进展

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1、电子器件冷却技术概况与进1 引言 随着科技的发展，人们平时生活普遍用电子产品。这些给人们带来 了很大的方便。所以人们现在最热门研究科 目之一就是电子产品的性能提高。电子器件 的冷却是非常重要的。由于高温导致的实效 在所有电子设备是小中所占的比例大于 50% 传热问题甚至成为电力电子装置向小型化发 展的瓶颈。电子器件用于电子计算机容量和 速度的快速发展以及导弹，卫星，宇宙探索 和军用雷达等等。这些对高性能模块和高可 靠大功率器的要求，一方面器件的特征尺寸 愈小愈好，已从微米量级向亚微米发展；另 一方面器件的集成度持续快速增加。空间微 尺度和时间微尺度条件下的流动和传热问题 的研究显得十分重要。

2、传热是最普遍的一种 自然现象。几乎所有的工程领域都会遇到一 些在特定条件下的传热问题，包括有传质同 时发生的复杂传热问题。现代科学技术突飞 猛进，传热学的工程应用研究也已跨越传统 的能源动力，工艺过程节能的范畴，在材料的制备和加工、航天技术的发展、信息器件 的温控、生物技术、医学、环境净化与生态 维护、以及农业工程化、军备现代化等不同 领域都有所牵涉。特别是高技术的迅猛发展 正面临着温度场、速度场、浓度场、电磁场 光场、声场、化学势场等各种场相互耦合下 的热量传递过程和温度控制，从而使传热学 迅速发展为当今技术科学中了解各种热物理 现象和创新相应技术的重要基础学科。现就 电子器件冷却方面的传热

3、学最新研究动态作 简要的介绍。 2 冷却技术 （1） 微通道 冷却技术 微通道换热器是指在基体上用光刻 或其它刻蚀法制成截面尺寸仅有几十到上百 微米的槽道,换热介质在这些小槽道中流过与 换热器基体并通过基体与别的换热介质进行 换热. 换热器的基体材料可以是金属、玻璃、硅或其它任何合适的材料. 这种换热器的突出 优点是: ? 热系数大,换热效果很好。由于 几何尺寸极小,流体流过通道时的流动状态与 个数量级,因而换热系数明显增大. 换热介质常规换热器有很大区别。雷诺数一般增大一与基体之间温差很小。 ? 体积很小,特别适合电子器件的冷却。 ? 制造工艺采用电 子器件制造工艺,有利于降低成本、批量生产

4、 ? 由于换热介质与基体间温差小 ,槽道间距离短,所以基体本身的导热系数对总的换热 导数影响小,所以,基体导热系数差一些也影响 不大,因此可以选用多种材料作换热器。2） 喷水冷却 喷水冷却芯片技术是由美国惠普公司科学家提出的给芯片喷水降温的 新技术 给芯片加上防水的保护膜，利用芯片 内置的热传感器，与喷头配合，就能恰如其 分地给不同的芯片喷洒适量的微小水滴，水 遇热蒸发，使芯片降温，水蒸气则被回收到喷头内部，进行循环在利用。初步研究发现 这种方法不仅能有效地疏散热量，还可以通 过控制那些喷嘴工作的方法，对芯片不同的 部分进行不同程度的冷却， 目前研究者正在 对这种方法进行更严格的试验 （3）

5、集成热 路 由微通道冷凝器、微泵驱动、微喷射蒸发 器组成的一个闭环冷却系统,这是 种模块化微 机械硅散热系统 ,研究者把它称为 “集成热路” 对应于集成电路. 这种叫法反映了现今从系统 上考虑解决 IC 及其它电子器件的散热与热管 理问题,同时又从微观上,从热的原头上解决热 问题的思路. 针对电力电子器件（例如 IGBT） 研 究的大功率集成热路 ,目标要达到散热流密度 600W/cm2 . 有的研究者理论计算的散热能力可 达 1kW/ cm2 . （4） 新型热管传热技术 热管 已广泛用于电子冷却领域. 由于它传热温差小, 传热量大,不需泵送传热介质,在电力电子器件, 航空电子装置上已成熟使

6、用 .针对微电子器件和多芯片组件体积小特点 ,开发了一种埋入式 微型陶磁热管. 在芯片衬底里埋数个微热管,热 管内注水,热管中毛细作用的芯是陶磁材料制 成的,轴向开槽. 制作工艺与现在的芯片衬底制 造工艺完全兼容. 这种热管导热系数比导热系 数很高的金刚石还要好 ,更比现有的衬底材料导热系数导热系数好得多 . 笔记本电脑中的CPU 冷却已有相当一部分用微型热管 ,一般直 径 3 毫米左右 , 它与现有的风扇加热沉结构相 比有明显的优点 ,针对电子冷却的特定要求,已 开发了重力附助热管柔性回路热管 ,平板型电 子冷却热管 ,微型空气对空气换热管等多种 . （5） 平板热管散热器 散热板是一种具有

7、高 导热率的平板，它将芯片上形成的高密集度热量扩散到整个散热器底板上。因为不均匀 的能量分布不仅会导致芯片表面上形成无规 则的高分布点，同时也限制了热源的尺寸， 作为一种有效的导热方式的导热板对设计改 善具有不均匀能量分布的芯片有很重要的意 义。本实验研究采用的是将与散热器底面积 尺寸相同的平板热管嵌入到铜质散热器底面。 (6)热电冷却热电制冷技术是基于 Pehier 效应实现的。在两种不同金属组成的闭合线路中，若通以 直流电，就会使一个节点变冷而另一节点变热，这种 现象称为 P ehi er 效应，亦称温差电效应。由于半导 体材料内部结构的特点，其温差电效应较之其它金属 显著得多。现在广泛应

8、用的热电材料多以掺杂 Bi、T e 半导体合金材料为主。 (7) 热电离子冷却 与热电方法相比，基于热离子换能效应的冷却办法是 将异质结构集成热离子(HIT)制冷器与光电子器件合为 一体。这些薄膜制冷器利用热电子在一层异质结构势 垒层上有选择地发射来进行制冷。这种冷却器件的优 点在于热质量较小，冷却响应非常快。可以采用标准 的集成电路批量制备技术加工，而制冷功率密度可发 生显著增加 (8) 纳米级气流冷却 它利用空气 分子电离来产生纳米级气流的新颖冷却技术，该技术 利用安装在计算机芯片上，且彼此靠近的电极来生成 离子，使100v(或更低)的电压通过电极，从而导致 带负电荷的纳米管向带正电的电极

9、释放电子。空气分 子的电离造成了电荷的不平衡，因而形成了会产生微 弱气流的纳米级脉冲。之所以能够用如此低的电压制 造出离子效应，是因为纳米管非常细小，而且带相反 电荷的电极彼此相距只有约10 u m。这项技术无须活 动部件，器件的大部分功能可以借助制作纤巧芯片所 使用的传统硅片生产工艺来制造。 (9) 风冷翅片 散热器 风冷翅片散热器分两个部分，和热源直接 接触的部分为翅片散热器，它负责将热源发出的热量 引出；风扇则用来给散热器强制对流冷却降温。其冷 却效果与使用的散热器的结构密切相关，目前有关研 究主要集中在散热器的散热特性及结构、材料的优化 上。影响强制对流冷却效果的另一个参数是风速，风

10、速越大，散热器的热阻越小，但流动阻力越大，适当 提高风速有利于阻的降低，但风速超过一定数值之后 再提高已无多大意义。该散热方式由于具有结构简单 价格低廉，安全可靠，技术成熟的优点而成为最常用 的散热方法之 一。其缺点则是：不能将温度降至室 温以下，且因风扇的转动而存在噪声，凤扇寿命有时 间限制。 (10) 水冷虽然风冷翅片散热器成本低廉，但受到散热能力的 限制，随着热流密度不断提高，具有更大散热能力 的水冷装置的应用将大行其道。气体强制对流换热 系数的大致范围为20100 W/(m ,C),水强制对 流的换热系数高达15 kW/ (m C),是气体强制对 流换热系数的百倍以上。目前,很多电力电

11、子装置 都是用水冷装置作为散热系统,该系统通常由散热 器、水管及一个水泵组成。散热器有一个进水口及 出水口,在其内部有多条水道,这样可以充分发挥 水冷的优势,带走更多的热量。同时因水冷系统没 有风扇,所以不会产生振动,噪声也会相对较小。 该系统的缺点是价格比较昂贵,水在密闭状态下容 易发生结垢、变质,在使用过程中还要完全杜绝漏 水、断水等情况的发生,同时该系统在使用过程中 由于水的流动会造成电子元件周围电磁场的一些变 化,可能会影响到系统的稳定性。 3 冷却技术 及其应用的瓶颈及展望 由微电子芯片典型冷却 技术的分析可知,限制其应用的主要原因是加工难 度较大、成本较高、可靠性较差。另外,很多技

12、术受制于材料的发展而不能得以应用,材料作为现代 文明的三大支柱(能源、材料、信息)之一, 在微电 子器件冷却方面也展示了其重要的作用。当然,性能越好的材料制造成本一般会越高，因此性能越好的散热设备的制造成本也往往越高，或许发展到后 来，运用得最广泛的散热介质还会是我们接触最多 的流体一水。由上面的技术分析也可知道，许多冷 却技术是以水作为基本工质的，性能太好的特殊流 体介质往往仅限于试验阶段。这恰似一个矛盾统一 体：大众化的应用技术要求技术、工质可靠、易得进而售价低廉； 而现代微电子器件冷却的要求是效率高，因此必然涉及到复杂的技术，高精尖的材料，I三1=1I三1=1制造成本与售价必然较高，从而

13、限制其应用。因此，I三1=1处理好价格与性能的矛盾关系是摆在科研与应用道 路上的巨大障碍。现在看来，这种矛盾只能减轻、 不能消除，因此微电子冷却技术的前景是光明的， 但还需要很多路要走。但同时我也相信，随着社会 生产力的不断发展，人的主观能动性的不断发挥， 找到一种甚至几种成本低廉且效能突出的微电子器件冷却技术是很有可能的。这是微电子技术发展的 客观要求，只要微电子技术还有巨大的生命力，其相应的冷却 技术的发展就绝对不会停歇。 参考文献： 【1】岳挺 微电子器件冷却技术概说与进展 清华大学热能工程系 【2】 张亚平, 冯全科, 余 小玲 微热管在电子器件冷却中的应用 西安交通大 学能源与动力工程学院 【3】 陆佩强， 诸 凯， 刘 建林， 杨 爱， 田金颖 用于电子器件冷 却的热管散热器实验研究与优化数值模拟 天津商 业大学天津市制冷技术重点实验室 【4】 陈登科 电子器件冷却技术 中国电子科技集团公司第十六研 究所, 安徽万瑞冷电科技有限公司 【5】 张小京, 易 志华 电力电子器件冷却技术 西南科技大学信息工 程学院 西安电子科技大学信息工程学院