电子器件散热及冷却的发展现状研究

电子器件散热及冷却的发展现状研究

陈兵

江苏大全凯帆电器股份有限公司 江苏 南京 211100

摘要：现如今，我国社会经济与科技飞速发展和进步，各行业方兴未艾，电子行业也不例外得到了迅猛发展，经济飞速发展，使得社会用电量持续增多，电子器件也逐渐向着高效和微型方向发展，同时也对机组铺设的安全和可靠性有了更高的标准与要求。在主铺设备运行中，抱会系统因其自身故障而导致停止运行，特别是高温环境会严重的影响到电子器件的性能和使用寿命，此外，也会影响到电路系统运行的安全性。为此，本文详细论述了电子器件散热和冷却发展现状，旨在可以为相关业界人士发展提供借鉴，助力电子行业实现健康可持续繁荣发展。

关键词：电子器件；散热；冷却；发展现状

前言：电力资源在当前现代化社会发展中得到了广泛应用，在工业生产和生活中人们越来越依赖电力资源，这就意味着电力资源成为了人们生产和生活中不可或缺的一部分。电气器件作为火力发电厂中一个非常关键的构成部分，目前，它产生的热量的疏散和冷却已成为相关学者关注的焦点和热点。随着热控保护系统的不断发展和进步，热工自动化程度不断提升，工作中，电气器件会产生很多热量，在很大程度上会对电气器件的应用寿命及性能产生影响，为此，文章对其进行研究具有十分深刻的意义。

1电子器件散热及冷却发展现状

1.1被动式冷却

被动式冷却：冷源温度高出环境温度的电子元件散热方式，主要特点是其芯片温度一直高于环境温度，无制冷机构，根据冷却介质的不同性，可将其分成液体与空气冷却两种。

1.1.1空气冷却

空气冷却：通过空气流动，将元件产生的热量进行带走的一类散热方式，为此，通常发热量很小的电子元件冷却中经常使用。强破对流冷却指介质在外力作用下流动，主要通过风机等强制装置使周围的空气流动，然后带走热量。此散热方式散热能力比对流强，通过同热沉组合可使其流换热系数达（10—100W/(m ².K），现阶段此种方式被广泛的进行着应用。

应用最广泛的一类方式就是空气冷却，它的冷却力大概为约10 2 W/m ².K 的数量级，它适用于散热量低、价格低廉、结构简单，但不能满足高热流密度电子器件和芯片的要求。

1.1.2被动液体冷却

液体冷却作为一类冷却方式，是通过液体流动将电子元件的热量带走。它主要基于芯片或芯片模块的概念，与空气冷却相比，液体冷却有许多优点，其显著优点是液体的比热容大于气体的比热容。所以，有很大的热负载能力，液体冷却可提供更高的散热能力，约为103-104w/m².K的数量级，有的使用微通道技术或其他先进的液体冷却散热器，其散热能力可达105w/m².K。并且其特点是噪声低、温度稳定，然而，其缺点是系统复杂、成本高、可靠性低。然而，不管是空气冷却抑或是普通液冷，都不能很好的应对106 W/㎡以上热流密度的挑战，故此，就逐渐诞生了一些电子冷却方式。

2主动式冷却发展

2.1主动液体冷却

(1)热管冷却

热
导主要是一种利用率高的相变热传导器，热阻可达每瓦千分之一摄氏度，传热量高于50kw。热管也是“热超导体”，主要由端盖、吸液芯、管壳构成，原理：蒸发阶段，工质气化吸收热量，蒸汽经绝热段后在冷凝段液化释放，在多孔芯毛细力作用下，冷凝液被泵回蒸发段，代表了热管换热循环完成，图1是原理图。

图 1 热管原理图

无需泵送、传热量大、传热温差小是热管传热介质的特点，故此，被广泛应用于航天电子装置、电力电子器件中，针对不同的应用场合，通常会应用定制的方式设计热管冷却系统，日本、美国等国家有多家公司提供方案设计及设备加工服务。

（2）微通道冷却

微
通道冷却技术的概念是由Pease 和 Tuckerman在1981年首次提出的，可在化工、能源、环境等领域广泛应用。微通道冷却技术原理：使用体型细微加工法等，在硅基板或金属基板上制造微尺度通道，液体流过微通道时，会通过蒸发带走热量。微通道有液体流经时，单位体积换热面积将增加，在微通道中快速发展成核态沸腾，高度不稳定下，换热性很强。微通道散热器模型如图2，同时流体分子在微通道中滑移会使冷板上流体阻力降低，为此，微通道散热器散热力比传统的单相液体冷却技术强。Curamik Electronics公司的一种液冷DBC微通道基板结构如图3，也为一类微通道、ALN陶瓷结构结合的冷却器，通常而言，微通道尺寸的缩小可提升散热能力，然而，在温度不断升高时，其最终会出现热应力升高，芯片热点不匹配与不稳定等问题。

图 2 微通道散热器模型

图 3 Curamik Electronics公司微通道散热器

对于微通道换热器而言，它的基体材料可为玻璃、硅、金属或其他任何合适的材料，此类换热器显著优势就是：1）换热系数大且换热效果佳，因几何尺寸小，流体流经流道的流动状态与常规换热器有很大不同。一般情况下，雷诺数增加一个数量级，换热系数显著增大，换热介质同基体间温差较小。2）体积小，在电子器件冷却中较为适用。3）制造工艺应用的是电子器件制造统一，可批量生产并能降低成本。4）因换热介质同基体间温差较小，加之槽道间距离短，为此，基体自身导热系数不会对总换热导数形成太大影响，为此，即便基体导热系数差一点也没有太大影响，所以，换热器可选择多类材料。

（3）射流冷却

射流为一类流体介质，是从狭小区域向大空间喷射，之后撞击固体壁面上的一类流动方式。按喷嘴形式可分成两类，即狭缝冲击射流、圆形冲击射流；按介质烈性分为气体冲击射流、液体冲击射流、多项冲击射流三类；按受限程度可分为受限与非受限冲击射流。射流冷却原理：冷却介质用喷嘴将雾化后喷洒在冷却电子芯片或组件上，通常会把一层绝缘薄膜涂在芯片上，液体在热源上蒸发带走汽化潜热。喷射冷却系统中，雾化冷却介质的热流密度于液体介质，使喷射冷却系统换热率高于一般蒸发冷却系统，射流冷却可降低蒸发冷却剂重量。

2.2半导体冷却

半导体冷却又叫热电冷却，是以傅立叶效应、塞贝克效应、汤姆逊效应、珀尔帖效应、焦耳效应为基础的制冷新技术，半导体冷却原理是通过半导体材料形成的p-n结，两端采用直流电实施制冷，电能直接可直接转化成热能，载流子由一类材料向另一类材料迁移进而形成一种电流，且每类材料的载流子有不同的势能。所以，想要满足能量守恒要求，载流子通过结点时，势必会同周围环境实施能量交换，能级改变为现象本质，进而成功形成了冷却系统。

半导体冷却、其他冷却方式相比优点:

1. 无机械制冷运动部件，进而无噪声与振动，从而不必担心液击与磨损，为此，工作可靠且维护操作简单。2）不应用制冷剂，配套制冷管路的制冷剂就不会发生泄漏，不会污染环境。3）便于冷热转换，只要电流反向，制冷工况就变为了热泵工矿，既简单安全，同时也有很高的效率。4）因可把冷却元件做成各类形状，所以可以满足各类需求。5）尽管单个制冷元器件有很小功率，然而，其效率也不会由此而降低。6）有良好的能量调节性，冷却能力可以通过调节工作电压或电流来调节。能量调节不影响效率，可利用温度调节进而调节高精度。7）半导体制冷芯片的热惯性较小，会很快的进行加热与制冷，在热端有良好的散热性，冷端空载时，通电后1分钟内制冷片的温差会最大。

总体而言，因半导体冷却的优点很多，被广泛的应用在各个行业，特别是在制冷量小，还要求装置小型化的场合，其优越性更大，甚至在某些方面，还存在着压缩式不能代替的能力。在日常生活中，可用于饮水机、冷热冰箱、空调和实验室设备中， 、高低温实验仪器。在特殊装置里，石油产品及生化制品低温检测仪、细菌培养箱、恒温显影浴、计算机等，可用于冷理、冷合、白内障提取片、血液分析仪等医疗治疗。 。然而，因半导体制冷效率不高，加之有非常复杂的加工制造工艺，在一定程度上制约了半导体制冷的应用与推广。

结束语：

一言以概之，当前时期，我国社会经济和科技日新月异发展，为此，电子器件逐渐呈现微型化发展趋势，有关学者和社会各界对电气器件产生的热量疏散以及冷却问题更加关注，为此，本文从多视角和层面分析和研究了电子器件散热与冷却发展现状，以期为行业发展提供助力。

参考文献：

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［2］贾艳婷，徐昌贵，闫献国． 半导体制冷研究综述［J］．制冷，2012(3):49 －55．

［3］朱倩，刘玉超，张强，等． 半导体制冷技术及其应用［J］． 学园，2011(2):21 －22．