电子器件冷却技术概况与进展

电子器件冷却技术概况与进展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。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:①
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常规换热器有很大区别。雷诺数一般增大一个数量级,因而换热系数明显增大.换热介质与基体之间温差很小。②
体积很小,特别适合电子器件的冷却。③
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）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Pehier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。现在广泛应用的热电材料多以掺杂Bi、Te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1OOv(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10um。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20～100W／(m，℃)，水强制对流的换热系数高达15kW／(m·℃)，是气体强制对流换热系数的百倍以上。目前，很多电力电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，制造成本与售价必然较高，从而限制其应用。因此，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