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電子設(shè)備散熱技術(shù)探討的論文
引言
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,大功率、高功率密度器件被大量研制和應(yīng)用。電子設(shè)備在功率增加的同時(shí)，其熱耗也在增加,有些電子器件工作時(shí)的表面熱流密度已達(dá)數(shù)十瓦每平方厘米。大量的熱耗如果不能及時(shí)散發(fā)出去,將極大地影響電子設(shè)備的可靠性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在導(dǎo)致電子設(shè)備失效的因素中，溫度占55%(其余因素為灰塵6%,濕度19%,振動(dòng)20%)1。電子設(shè)備的運(yùn)行實(shí)踐表明：隨溫度的增加，電子元器件的失效率呈指數(shù)增長,對(duì)于有些電子器件,環(huán)境溫度每升高10°C,失效率甚至?xí)龃笠槐兑陨?,這在不同程度上降低了設(shè)備的可靠性。此外，由于設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變，電子器件的封裝度不斷提高，小型化、模塊化成為電子設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì),這就對(duì)電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求,科學(xué)、有效的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。
1冷卻方式及冷卻介質(zhì)的選擇
1.1冷卻方式的選擇
常用的冷卻方式主要有自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷和強(qiáng)迫液冷三大類。自然風(fēng)冷是最理想的冷卻方式,無需其他輔助設(shè)備，但其冷卻能力較低，適合熱流密度在0.04W/以下的電子元器件的冷卻。強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,成本低,設(shè)備量少,但受外形尺寸及重量的限制，所提供的風(fēng)量有限,適合熱流密度較低的場合。一般情況下,在熱流密度小于0.4W/cm2時(shí),可采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。液體冷卻系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜,設(shè)備量大,成本高,但其承受的熱流密度大,散熱效率高,熱負(fù)載溫度梯度小,適合熱流密度較高的場合。冷卻方式的選擇見圖1。
1.2冷卻介質(zhì)的選擇
風(fēng)冷電子設(shè)備的冷卻介質(zhì)是空氣,根據(jù)電子設(shè)備的要求,有時(shí)需要對(duì)空氣進(jìn)行除塵、除濕等處理。液冷電子設(shè)備冷卻介質(zhì)的選擇,需要綜合考慮以下幾個(gè)方面：
1)冷卻介質(zhì)的熱特性參數(shù)，包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等；
2)冷卻介質(zhì)的物理特性,包括適當(dāng)?shù)姆悬c(diǎn)和冰點(diǎn)及是否易燃、有毒等；
3)冷卻介質(zhì)的相容性,要考慮冷卻介質(zhì)對(duì)散熱器是否有腐蝕作用，與密封圈的橡膠種類是否相容等；
4)要求冷卻介質(zhì)成本低,適合長期使用；
5)如果在高壓下使用，還需要考慮冷卻介質(zhì)的一些電氣特性。
水和乙二醇水溶液都是較為常用的冷卻介質(zhì)，也有一些電子設(shè)備是用油作為冷卻液的。從散熱角度考慮,水是最理想的冷卻介質(zhì)，其比熱容大，導(dǎo)熱系數(shù)高,且價(jià)格低廉。但水的冰點(diǎn)較高，不適合在低溫環(huán)境下（如冬季室外或高空中）對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行冷卻。軍用電子設(shè)備,特別是機(jī)載電子設(shè)備對(duì)環(huán)境要求苛刻，國內(nèi)一般都以濃度為65%的乙二醇水溶液作為冷卻介質(zhì),其特點(diǎn)是冰點(diǎn)低、熱容大。水和65#冷卻液的性能比較見表1。
2冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及準(zhǔn)備
2.1.1設(shè)計(jì)原則
冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的就是在熱源至最終散熱環(huán)境之間提供一條可以把熱量迅速傳遞出去的低熱阻通道，以滿足電子設(shè)備散熱可靠性的要求。在進(jìn)行冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),一般要考慮如下幾個(gè)方面:
1)冷卻系統(tǒng)具有充裕的冷卻能力，以保證電子元器件能夠在規(guī)定的環(huán)境（尤其是高溫環(huán)境）中正常工作；
2)冷卻系統(tǒng)具有高的可靠性；
3)冷卻系統(tǒng)具有良好的維修性,操作、維護(hù)方便；
4)冷卻系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比。
2.1.2設(shè)計(jì)準(zhǔn)備
在進(jìn)行電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，要首先明確以下幾點(diǎn)：
1)確定電子設(shè)備的工作環(huán)境。要確定電子設(shè)備的工作環(huán)境是室內(nèi)還是室外,是地基還是空載。如果是空載,還要確定是艙內(nèi)還是艙外及載機(jī)的高度。根據(jù)這些環(huán)境條件,估算出電子設(shè)備工作的環(huán)境極限溫度。
2)計(jì)算電子設(shè)備的熱耗及熱流密度。通過功率、效率計(jì)算,估算出電子設(shè)備的熱耗,結(jié)合電子設(shè)備的體積、散熱面積計(jì)算出電子設(shè)備工作時(shí)的熱流密度。
3)確定冷卻方式。根據(jù)電子設(shè)備的熱流密度,確定電子設(shè)備的冷卻方式并選擇合適的冷卻介質(zhì)，同時(shí)還要確定電子設(shè)備的載體（如戰(zhàn)斗機(jī)）是否能提供所需要的冷卻介質(zhì)。
4)確定冷卻介質(zhì)的流量。根據(jù)電子設(shè)備的熱耗及確定的冷卻介質(zhì)，可根據(jù)以下兩個(gè)公式計(jì)算出所需要的冷卻介質(zhì)的流量（質(zhì)量流量和體積流量）：
式中:qm為冷卻介質(zhì)的質(zhì)量流量；Q為模塊的耗散功率;cp為冷卻介質(zhì)比熱容;At為冷卻介質(zhì)的溫升;qv為冷卻介質(zhì)的體積流量;p為冷卻介質(zhì)的密度。
對(duì)于風(fēng)冷電子設(shè)備，流量常用質(zhì)量流量表示（單位:kg/s),其溫升At由電子設(shè)備的允許工作溫度和冷卻介質(zhì)的溫度決定,一般有數(shù)十?dāng)z氏度;對(duì)于液冷電子設(shè)備,流量常用體積流量表示（單位:m3/s),其溫升At-般取5°C~8°C。
2.2風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)
采用自然風(fēng)冷時(shí),如果電子器件的熱流量較小,靠空氣對(duì)流換熱帶走熱量即可;如果熱流量稍大，可以增加散熱器,散熱器傳導(dǎo)散熱與空氣對(duì)流散熱相結(jié)合。
當(dāng)電子器件熱流密度大于0.04W/cm2時(shí)，用自然冷卻方法就不能有效地將熱量帶走，這時(shí)必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。從冷卻方式上分，強(qiáng)迫風(fēng)冷有直接風(fēng)冷和間接風(fēng)冷兩種形式。直接風(fēng)冷就是冷卻風(fēng)直接吹到電子器件上,散熱效果較好，對(duì)于一些形狀不規(guī)則，體積較大，不易于間接風(fēng)冷的電子器件（如變壓器），可采用直接風(fēng)冷；間接風(fēng)冷是把電子器件貼到冷板或散熱器上,冷卻風(fēng)通過冷板或散熱器帶走電子器件的熱量。
從風(fēng)的動(dòng)力來源上分,強(qiáng)迫風(fēng)冷又可分為吹風(fēng)和排風(fēng)兩種形式。吹風(fēng)冷卻需要在設(shè)備進(jìn)風(fēng)口接風(fēng)機(jī),占用空間較大,且振動(dòng)、噪聲也較大,但可以提供充足風(fēng)量，冷卻效果比較好。對(duì)于機(jī)載設(shè)備,有時(shí)可利用壓縮空氣代替風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻散熱。如果電子設(shè)備的安裝空間狹小且無壓縮空氣源，可考慮采用軸流風(fēng)扇排風(fēng)散熱,軸流風(fēng)扇一般要靠近設(shè)備的出風(fēng)口位置。我們常見的計(jì)算機(jī)CPU就是采用“散熱器+軸流風(fēng)扇”的散熱模式，計(jì)算機(jī)的電源一般也采用軸流風(fēng)扇排風(fēng)散熱。
風(fēng)冷電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)承受的壓力一般比較小(<10kPa),且少量的風(fēng)泄露不會(huì)對(duì)電子設(shè)備造成污染,故風(fēng)冷系統(tǒng)對(duì)密封性要求不高。由于風(fēng)冷電子設(shè)備的溫度梯度較大,在條件允許的情況下,增加風(fēng)的流量一般都可以取得比較好的散熱效果。
2.3液冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
按照電子器件與冷卻液是否接觸,液體冷卻可分為直接液體冷卻和間接強(qiáng)迫液體冷卻。直接液體冷卻就是把需要冷卻的電子器件直接浸泡在冷卻液中，自然傳導(dǎo)散熱。它對(duì)電子器件和冷卻液的要求都比較苛刻,應(yīng)用較少。
間接強(qiáng)迫液體冷卻就是把電子器件安裝或緊貼到冷板上,冷卻液從冷板中流過帶走電子器件的熱量。間接強(qiáng)迫液體冷卻一般結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且需要能夠提供一定溫度和流量的液冷源設(shè)備，但它提高了電子設(shè)備的可維修性，同時(shí)也降低了對(duì)電子器件和冷卻液的要求。大部分液冷電子器件采用的都是間接強(qiáng)迫液體冷卻。在進(jìn)行間接強(qiáng)迫液冷設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：
1)液冷系統(tǒng)承受的壓力一般都比較大（30kPa~1000kPa),冷卻液一旦泄露,就有可能引起電子器件的短路,導(dǎo)致整個(gè)電子設(shè)備的損壞,故設(shè)計(jì)強(qiáng)迫冷卻系統(tǒng)時(shí)一定要進(jìn)行嚴(yán)格的壓力試驗(yàn),以確保冷卻系統(tǒng)的可靠性。
2)有的電子設(shè)備可能不同部位的多個(gè)電子器件都需要冷卻，這時(shí)冷卻系統(tǒng)還要具有分流、集流裝置,在設(shè)計(jì)時(shí)要確保各個(gè)流路的冷卻液流量與其要冷卻的電子器件的熱耗相匹配，見圖2。
3)電子設(shè)備與液冷源的接口，要盡量采用雙向自密封接頭,如圖3所示。這種接頭插拔方便且能避免冷卻液泄露。目前生產(chǎn)這類自密封快卸接頭的主要是國外的-些公司，如法國的STAUBLI公司、意大利的Stuc-chi公司、瑞典的TEMA公司及德國的ParKer公司等。
4)為了提高冷板的散熱效果,冷板應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料（如銅或鋁）制作，冷板表面應(yīng)盡量平整、光滑。為了保證電子器件與冷板緊密接觸，電子器件與冷板間應(yīng)有足夠的壓緊力，并根據(jù)需要填加導(dǎo)熱硅膠或?qū)釅|（現(xiàn)有一些相變材料的導(dǎo)熱墊，可在部分場合代替導(dǎo)熱硅膠）。填加的導(dǎo)熱膠或?qū)釅|的厚度應(yīng)盡量薄，以免增加額外的熱阻。
5)間接液冷系統(tǒng)電子設(shè)備的溫度梯度較小,在冷卻液流量達(dá)到某個(gè)值后,再盲目地增加冷卻液流量并不能達(dá)到很好的散熱效果。如果需要進(jìn)一步改善冷卻效果,就需要對(duì)冷板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),或降低冷卻液的溫度。
6)液冷系統(tǒng)的流阻要盡量小，一般不應(yīng)超過1MPa。為了降低系統(tǒng)的流阻,液冷通道要盡量短，通流面積要盡量大,流路上要避免急劇的轉(zhuǎn)彎、擴(kuò)張或收縮以免局部壓力損失過大。
7)對(duì)于熱耗較大、對(duì)溫度比較敏感的電子器件應(yīng)盡量布在冷卻液的入口位置。
8)液冷系統(tǒng)中要有溫度、流量、壓力等監(jiān)控系統(tǒng)，見圖2。
3仿真、試驗(yàn)
計(jì)算機(jī)仿真是冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可或缺的一個(gè)手段，現(xiàn)在常用的設(shè)計(jì)軟件有ICEPAK,FLUENTFLO-THERM,CFdesign等,這些熱設(shè)計(jì)軟件極大地提高了熱設(shè)計(jì)的效率，降低了設(shè)計(jì)成本,特別是對(duì)于一些新型散熱器或復(fù)雜冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì),其設(shè)計(jì)效果尤為明顯。圖4是某間接強(qiáng)迫液冷系統(tǒng)的仿真結(jié)果，從圖中可以看出,在冷板內(nèi)部加設(shè)翅片后,冷卻效果有了很大的改善。此外,還可以改進(jìn)翅片的材料、形狀等以進(jìn)一步改善散熱效果,但如果翅片結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,冷板的流阻也會(huì)隨之上升。
試驗(yàn)是檢驗(yàn)冷卻系統(tǒng)冷卻效果的必要環(huán)節(jié)。通過前期的計(jì)算、仿真、設(shè)計(jì),做出實(shí)物樣機(jī)后,必須通過嚴(yán)格的試驗(yàn)檢驗(yàn)冷卻系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)（包括流阻、密封性、溫升等）是否滿足設(shè)計(jì)要求。
4結(jié)束語
熱設(shè)計(jì)是提高電子設(shè)備可靠性的必要手段，我國1992年7月頒布了國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z2742《電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》是進(jìn)行熱設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。本文主要介紹風(fēng)冷和液冷技術(shù)在電子設(shè)備散熱方面的應(yīng)用及設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問題。風(fēng)冷和液冷技術(shù)現(xiàn)在應(yīng)用得比較多,也比較成熟,所需要進(jìn)一步研究的是開發(fā)出導(dǎo)熱系數(shù)更高的材料,設(shè)計(jì)出散熱效果更好的散熱器。鉆石的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到了2300W/m?K,但由于其資源的稀缺性,不可能被廣泛采用；一些納米材料也具有極高的導(dǎo)熱系數(shù),如單壁納米管和多壁納米管在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)已達(dá)到3000W/m?K以上，如果這些材料能得到普及應(yīng)用，將對(duì)電子設(shè)備的散熱技術(shù)產(chǎn)生革命性的影響。
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