電子器件溫度控制技術
電子器件溫度控制技術
王文李慶友
（上海交通大學制冷與低溫工程研究所上海）
摘要：隨著電子器件的高頻、高速以及集成電路技術的迅速發(fā)展和MEMS(MicroElectronicalMechanicalSystem)技術的進步，電子元器件的總功率密度大幅度增長而物理尺寸卻越來越小，熱流密度也隨之增加，所以高溫的溫度環(huán)境勢必會影響電子元器件的性能，這就要求對其進行更加高效的熱控制。因此，有效解決電子元器件的散熱問題已成為當前電子元器件和電子設備制造的關鍵技術。本文針對電子元器件的散熱與冷卻問題，綜述了當前應用研究中不同的散熱和冷卻方法，并進行了適當的分析。
關鍵詞：散熱，冷卻，電子器件
1、引言
近幾年來特別是微電子機械(MEMS)技術發(fā)展十分迅猛，并逐漸拓展于多個應用場合,微小型化已成為當代科技發(fā)展的重要方向之一。微型制冷技術既依賴于MEMS技術的發(fā)展，也同時是MEMS技術發(fā)展的需要。眾所周知，集成電路技術的快速發(fā)展，導致各種電子器件和產品的體積越來越小，集成器件周圍的熱流密度越來越大，以計算機CPU為例，其運行過程中產生的熱流密度已經達到60-100W/cm2，半導體激光器中甚至達到103W/cm2數量級。另一方面，電子器件工作的可靠性對溫度卻十分敏感，器件溫度在70-80水平上每增加1，可靠性就會下降5%。較高的溫度水平已日益成為制約電子器件性能的瓶頸，而高效電子器件的溫度控制目前已經漸漸成為一個研究熱點。
電子器件的溫度控制（或稱熱控制）的目的是保證其工作的穩(wěn)定性和可靠性，其中涉及的傳熱學、流體力學、材料等多個學科背景。從實施的角度看，電子器件的溫度控制一般可分為被動控制和主動控制。
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被動控制指利用高導熱材料作為熱橋與熱沉或熱源形成一個傳熱通道，從而使熱橋另一端的器件維持在某個設計溫度范圍內，大多數情況下這里的熱沉是依靠自然對流或輻射換熱向環(huán)境散熱的金屬框架、具有專門的散熱片等；或者根據對象的需要，在局部設計絕熱結構以隔絕溫度敏感元件與一些熱源的主要傳遞途徑；也有根據需要在一些局部設計相變材料作為儲能和釋能的單元維持溫控需要的能量。
2.1自然散熱或冷卻方法
自然散熱或冷卻方法是指不使用任何外部輔助能量的情況下，實現局部發(fā)熱器件向周圍環(huán)境散熱達到溫度控制的目的，這其中通常都包含了導熱、對流和輻射三種主要傳熱方式，其中對流以自然對流方式為主，自然散熱或冷卻往往適用對溫度控制要求不高、器件發(fā)熱的熱流密度不大的低功耗器件和部件，以及密封或密集組裝的器件不宜（或不需要）采用其它冷卻技術的情況下。有時，也因地制宜利用被控部件自身特點增強與鄰近熱沉的導熱或輻射、通過結構設計強化自然對流，在一定程度上提高系統(tǒng)向環(huán)境散熱能力。
2.2輻射換熱
在空氣稀薄、環(huán)境溫度較高和較低溫度的場合輻射換熱則在其中占較大比重。輻射換熱的換熱量主要與換熱體之間的溫度水平以及溫度差、換熱體表面吸收率和發(fā)射率、換熱體之間的相對位置關系等。以航天領域電子器件溫度控制為例，由于帶有電子器件的物體大多處于空氣稀薄環(huán)境，輻射換熱是其主要手段，在熱控設計時，需要考慮輻射換熱面的表面涂層、換熱面的折疊、遮掩與展現等。
2.3相變蓄熱的應用
物質發(fā)生相變時，通常伴隨著大量的相變潛熱。利用其這一特性，可以在短暫使用或者熱流密度很大,而且很難組織與環(huán)境有效的熱交換的應用場合，通常可以考慮選擇一些常壓下在某些電子器件工作溫度區(qū)段進行固液相變的材料，可利用相變材料相變潛熱吸收一定時段內運行的電子器件（如移動電話、便攜式電腦）產生熱量，從而對電子器件進行保護。相變蓄熱材料分石蠟類、非石蠟類、無機鹽水合物、金屬等。
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主動溫控通常指另外增加動力對某些器件進行溫度控制，例如電加熱提高溫度、風扇造成強制對流換熱、依靠各種形式的泵提供驅動的液體冷卻系統(tǒng)，以及利用制冷或熱泵技術形成局部的熱源或熱沉進行更強的溫度控制等。
3.1強制散熱或冷卻方法
強制散熱或冷卻方法主要是借助于風扇等強迫器件周邊空氣流動，從而將器件散發(fā)出的熱量帶走的一種方法。這種方法是一種操作簡便、收效明顯的散熱方法。如果部件內元器件之間的空間適合空氣流動或適于安裝局部散熱器，就可盡量使用這種冷卻方法。提高這種強迫對流傳熱能力的方法主要有：增大散熱面積（散熱片）和在散熱表面產生比較大的強迫對流傳熱系數（紊流器、噴射沖擊、靜電作用）。增大散熱器表面的散熱面積來增強電子元器件的散熱，在實際工程中得到了非常廣泛的應用。工程中主要是采用肋片來擴展散熱器表面的散熱面積以達到強化傳熱的目的。肋片式散熱器又稱氣冷式冷板，如：型材、叉指、針狀等各種型式，長期、廣泛地作為熱耗電子器件的延伸表面與所處環(huán)境（主要是空氣）的換熱器件。如普通臺式電腦芯片上肋片散熱器和風扇等。如果在散熱器（熱沉）上加工上微通道，這樣可以減小熱沉熱阻，進一步提高散熱效果。例如，冷卻大功率半導體激光器的微通道熱沉[5]。對一些較大功率的電子器件，在現有型材散熱器中增加數小片擾流片在散熱器表面的流場中引入紊流可以顯著提高換熱效果。
當然，散熱器本身材料的選擇跟其散熱性能有著直接的關系。目前，散熱器的材料主要是用銅或鋁，其擴展換熱面經折疊鰭/沖壓薄鰭等工藝制成，其特點主要是導熱系數高、延展性好和性質穩(wěn)定等。另外，隨著MEMS技術發(fā)展，硅基加工技術越來越成熟，將散熱結構與集成電路制造統(tǒng)一起來也是集成電路設計和制造一個發(fā)展方向。此外，在一些特殊場合新材料技術也在不斷發(fā)展，例如，電絕緣、高導熱率的陶瓷材料的開發(fā)與制造等。
3.2液體冷卻方法
對電子元器件采用液體冷卻的方法進行散熱，主要是針對芯片或芯片組件提出的概念。液體冷卻包括直接冷卻和間接冷卻。間接液體冷卻法就是液體冷卻劑不與電子元件直接接觸，而熱量經中間媒介或系統(tǒng)（如液冷模塊、導熱模塊、噴射液冷模塊、液冷基板等）從發(fā)熱元件傳遞給液體。通常需要在這種系統(tǒng)中配置泵以維持液體的循環(huán)，例如在近幾年的臺式機和筆記本產品中有采用水冷系統(tǒng)散熱結構。近年來為了滿足不斷增長的芯片級液體冷卻需求，伴隨著MEMS技術的發(fā)展，各種微泵技術獲得了極大的發(fā)展。比較典型的微泵主要是由硅、高分子材料、壓電材料等組成的各種振膜式壓縮機。
直接液體冷卻法（又稱浸入冷卻）是指液體與電子元件直接接觸，由冷卻劑吸熱并將熱量帶走，它適用于熱耗體積密度很高或那些必須在高溫環(huán)境下工作且器件與被冷卻表面之間的溫度梯度又很小的部件以及高度封裝或大功率電子器件的2-D或3-D封裝。例如，在一些高速計算機里直接把電子器件浸在氟化烴溶液中，利用它進行直接冷卻。也有研究者提出了一種振動誘導霧化冷卻系統(tǒng)，這是一種液滴冷卻技術。其特點是：使用電介質冷卻液作為工作介質，通過控制液滴直徑和頻率來控制冷卻功率，可以被用來冷卻芯片。
3.3制冷方式或冷卻方法
制冷從客觀上講，就是給高溫熱源提供一個連續(xù)低溫的熱源，使其溫度得到控制。從制冷的方式來講，在電子器件中采用主要有利用制冷劑相變制冷和Peltier效應制冷。
制冷劑的相變冷卻
這是利用制冷劑發(fā)生相變時大量吸收熱量的特性，在特定場合下對電子器件進行冷卻。一般所說的相變冷卻主要指制冷劑蒸發(fā)從環(huán)境吸熱，其包括兩種情況：容積沸騰（靜止液體沸騰，又叫池沸騰）和流動沸騰。IBM公司曾研制出采用浸漬式池狀沸騰冷卻方案的液體封裝組件（LEM），它的換熱系數可高達1700～5700W/m2·K，組件的熱耗量達300W。然而，對于相變冷卻的應用，還有一些技術問題尚待解決，特別是流動沸騰。
在某些情況下，深冷技術也在電子元器件冷卻方面發(fā)揮了重要的作用。如ETA大型計算機就是使用了深冷技術。對于某些大功率巨型計算機系統(tǒng)，其芯片的冷卻也可以采用循環(huán)效率較高的蒸汽壓縮式制冷裝置。這種方法的優(yōu)點是制冷量及制冷溫度范圍方面均比較寬廣，機器設備結構緊湊，循環(huán)效率可達4.0，比熱電制冷高一個數量級。
Peltier制冷
用制冷的方式來散熱或冷卻常規(guī)的電子元器件，制冷裝置體積小、質量輕、安裝和拆卸要方便往往是首要考慮的因素，而小型的半導體制冷就符合這樣的要求。半導體制冷又稱熱電制冷，是利用半導體材料的Peltier效應。當直流電通過兩種不同半導體材料串聯成的電偶時，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，從而實現制冷的目的。它是一種產生負熱阻的制冷技術，其特點是無運動件，可靠性也比較高，主要缺點是效率較低、成本高，只適用于體積緊湊、制冷要求不高等特殊場合。其散熱溫度≤100℃；冷卻負載≤300W。
⊥54⊥．電子器件溫度控制中的熱管技術
在電子器件的熱設計中，常常因為電路板空間十分有限，需要將電子器件所散發(fā)出的熱量傳遞到另外一個地方集中或更高效地向環(huán)境散熱。隨著電子電路集成化程度越來越高，各種大功率電子器件容量的逐漸增加，電子器件或裝置物理尺寸越來越小，這就要求散熱裝置本身必須具有良好的散熱條件。同時，散熱裝置的布置和設計遇到的約束也越來越嚴重。以微電子芯片為例[2]，目前一般已達到60~90W/cm2，最高已達200W/cm2。傳統(tǒng)的強制風冷只能用于熱流密度不大于10W/cm2，對于這種情況已顯得無能為力，而進一步提高擴展散熱面往往受當地空間的限制。例如對常規(guī)大功率半導體元件如二極管、可控硅整流器、大規(guī)模集成芯片（LSIchip）的冷卻常規(guī)的擠壓成形的翅片鋁板散熱器在散熱量達到1000W以上時，鋁板的受熱就受到了限制，而實踐表明熱管散熱器在這方面有著無可厚非的優(yōu)勢，與鋁板散熱器相比，其不但重量可減輕50%，而且還可以節(jié)省60%的有用空間。熱管由于具有極高的導熱性、優(yōu)良的等溫性、熱流密度可變性、流動方向的可逆性、恒溫特性（可控熱管）和良好的環(huán)境適應性等優(yōu)點，已經在電氣設備、電子元器件冷卻、半導體元件以及大規(guī)模集成電路板等場合的溫度控制中得到了廣泛的應用，它在大多數情況下可以滿足電子電氣設備對散熱裝置緊湊、可靠、控制靈活、高散熱效率等要求。
熱管應用始于航天工程的需要，隨著電子元器件、集成電路溫度控制的需要，小型和微型槽道熱管技術的發(fā)展獲得了廣泛關注，此外毛細泵回路、脈動熱管等發(fā)展也十分迅速。熱管應用中另一個需要關注的問題是可靠性，由于其制造材料、工藝、管內潔凈度等問題會導致一段時間后傳熱性能下降，所以要嚴格控制其產品質量，進行老化試驗同時必須對被冷卻的器件進行溫度監(jiān)控。
5.熱隔離方法
熱隔離即絕熱，這里主要指根據關鍵部件溫度控制的需要，將其與一些對其溫度波動影響較大的對象進行絕熱。從傳熱原理角度來說，絕熱可以分為真空絕熱和非真空絕熱[17]，而在電子元件上溫度控制上普遍應用的基本上是非真空絕熱。非真空絕熱是借助于低導熱系數的絕熱材料來實現的。這種絕熱形式又稱為容積絕熱，因為其絕熱效果與絕熱材料的厚度有關。此外材料的導熱系數等物性參數對隔熱效果的影響很大。
這種方法主要應用在需要控制局部器件的溫度，而阻止某些方面的高溫器件或物體對特殊受控部分可能產生的升溫影響。可以保證特殊受控元件的可靠、正常工作，從而延長整個設備的工作壽命。
需要指出的是，由于電子器件溫度控制的市場需求非常大，新的技術不斷有研究者提出并深入開發(fā)。例如現有制冷系統(tǒng)的微型化，包括前面提及的壓縮制冷的微型化，以及機構比較簡單的脈沖管制冷系統(tǒng)以及熱聲制冷系統(tǒng)的微型化等也有人在探討。結合微泵技術，微型噴濺冷卻也是一有潛力的技術，其結構也非常簡單，主要由一個腔體和一個驅動膜片構成。工質一般為氣體，在驅動膜片對面的腔體壁上開一小孔或狹縫。當膜片的振動頻率足夠大時，就會在空外形成連續(xù)的射流場。據報道，主流區(qū)的最大噴射速度可達30m/s。這種方法在微電子器件冷卻方面應用前景非常廣闊。
6、熱分析以及散熱或冷卻方法的選擇
在對電子器件及其系統(tǒng)進行熱管理和熱設計時，首先需要對研究對象要有一盡量系統(tǒng)全面的認識，即利用工程熱物理背景知識對部件或系統(tǒng)建立模型進行分析，或利用現有的有限元工具，對虛擬系統(tǒng)進行流場、溫度場和熱流場分析，將系統(tǒng)的熱設計與其功能設計、結構設計等統(tǒng)一起來，基于樣品或樣機試驗的基礎上，確定最終設計方案。
散熱或冷卻方法是根據質量因素熱耗體積密度（或熱耗密度）、熱阻來選擇的。常用冷卻技術單位面積的最大功耗見表1。
表1：常用冷卻技術單位面積的最大功耗
冷卻技術
單位傳熱面積的最大功耗（W/cm2）
空氣自然對流和輻射
0.08
強迫風冷
0.3
空氣冷板（加散熱片的強迫風冷）
1.6
液體冷卻（強制間接液冷）
16
蒸發(fā)冷卻（相變冷卻）
5000
在散熱與冷卻技術權衡中應該考慮的典型因素有：熱阻、重量、維護要求或維修性、可靠性（包括輔助設備，如風機和泵）、費用、制造容差、后勤狀況（特殊的元器件和冷卻劑）、熱效能、效率或有效系數、耐環(huán)境及嚴酷度（沖擊、振動、腐蝕）、對人體的危害程度（冷卻劑或蒸汽的毒性）、尺寸、復雜性、功耗及對設備電性能的影響。
需要指出的是：一個冷卻方案不限于一種冷卻方式，大多數方案都是根據具體情況，包含幾種冷卻方式，相互配合使用。
綜上，隨著集成電路技術飛速發(fā)展，電子元件的集成密度和熱量密度都會不斷增大，它們的散熱問題變得日益突出。因此，良好的散熱或冷卻方法是這些電子元器件發(fā)揮良好性能的有力保障。著名美國物理學家RichardP.Feynman曾于1959年12月29日在加州理工學院舉行的美國物理協會的年度會議上發(fā)表了題為“There’sPlentyofRoomattheBottom”的演講，敏銳地預言設備和系統(tǒng)的微小型化將在今后科學技術發(fā)展中占有非常廣闊的發(fā)展空間和重要意義。當前MEMS加工技術發(fā)展非常迅猛，發(fā)展新的散熱或冷卻方式勢在必行。國內外學者正研究和開發(fā)微型的換熱器和微型制冷系統(tǒng)，這也給微電子技術進一步提供了契機，同時這也為現代傳熱學的發(fā)展注入了新的活力。
參考文獻（略）
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