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电子设备散热特点创新之处(手提式x射线透视仪)

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摘要:随着电子设备的发展进步越来越快,散热问题也变得越来越棘手,而传统的散热方式也存在一定的局限性。列举了几种电子设备的散热方式,主要介绍了电子散热的前沿技术,阐述了各自的发展现状和应用场景,并分析它们的优点和不足之处,最后对散热技术进行总结和展望。

关键词:电子设备;散热技术;总结

电子设备的逐渐小型化、精密化,带来了散热的难题。温度对电子设备的工作性能影响非常大,对于一个稳定并且持续工作的电子芯片来说,按要求最高温度不能超过 85 ℃。一件半导体元件的温度每升高10 ℃,这个系统的可靠性将会降低 50%,据统计超过55%的电子设备的失效原因都是因为温度过高。传统的电子芯片中,用于冷却的体积占了 98%,只有 2%是用于计算运行的,但是这样依旧很难解决现在所存在的散热问题。高温会对电子设备的性能造成有害的影响,而那些传统的散热方式存在一定的局限性,因此为保证电子设备的使用寿命和高效的性能,探究并研发更好的电子设备散热方式刻不容缓。

01 散热技术

传统的散热方式我们日常生活中经常见到,因为目前发展已经非常成熟且原理简单,在此不做赘述。

1.1 液体冷却

液体冷却是利用经过热源的液体带走芯片产生的热量,没有噪音,具有较高的换热能力。以下是几种液体冷却方式是根据传统的直接液体冷却延伸出来的新技术。

1.1.1 微通道冷却

微通道冷却是在芯片的下面的基板上刻蚀出多条微米级的流体通道,使得流体流过通道时吸收芯片的热量。该方式包括单相换热和两相换热两种,其中单相换热的热容小,换热效果差,并且冷却后温度不均匀,导致应力过大。相反两相换热存在较大的潜热,换热能力高,冷却后温度均匀,不会产生很大的应力,并且工质温度不会上升很高。微通道冷却中的两相换热是当前的研究热点,使用低压制冷剂作为工质的两相换热中,散热能力可以达到 300 W/cm2以上。喻祖康等人通过实验得到表面亲水性能有效提高微通道的换热性能,在低热流密度、低进口干度下,超亲水表面平均换热系数最大,比普通光滑表面最大提高了64%,亲水表面平均换热系数比普通光滑表面最大提高了 27%;在高热流密度、高进口干度工况下,平均换热系数的值超亲水表面比普通光滑表面最大提高约80%,亲水表面比普通光滑表面最大提高约 50%。图1 为微通道冷却的结构图。

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图1 微通道冷却结构示意图

临界热通量(Critical Heat Flux,简称 CHF)是微通道性能的重要影响参数之一,袁旭东等人针对 CHF的研究进展,详细地介绍了它的影响机制和提升方法,以及学术界存在的 CHF 观点差异。微通道由于尺寸过小,导致沿程阻力很大;它的结构对冷却也有很大的影响,采用直的、平行的微通道会导致压降和温度梯度很大。它的优点也很多,由于通道是刻蚀出来的,不占据更多的空间,微通道冷却变得更高效紧凑,更加适用于小型的电子芯片。普遍认为双层微散热器可以满足下一代电子设备不断增加的热负荷,Xiaogang Liu 等人提出了双层矩阵结构(DL-M) 和双层互联矩阵结构(DL-IM)结构的微通道,并通过数值模拟研究散热器的各种性能,证明它们有更好的热性能。

微通道冷却虽然存在一定的缺点,但是可以解决出现的难题,发展也更加成熟;而对于 CHF 的研究虽然在观点上存在差异,但这不会阻碍微通道技术的发展,未来发展方向会更加着重于如何提高 CHF 来实现微通道冷却的更高效化,这种散热方式也会变得更加热门。

1.1.2 喷雾冷却

喷雾冷却是通过一个喷嘴将液体雾化形成气液两相喷射到电子设备上,其中一部分吸收热量后气化,通过相变带走部分热量;另一部分在热源表面形成液膜,热量随着液膜的流动被带走。液膜中的不凝结气体对换热增强了扰动,可以极大提高电子设备的散热能力。喷雾冷却的相变换热热流密度可以达到 1000 W/cm2以上,Lin 等人分别利用碳氟化合物、甲醇、水为工质进行相变换热,通过实验得到可以得到最大热流密度分别为 90、490、500 W/cm2 以上。图 2 为喷雾冷却示意图。

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图2 喷雾冷却示意图

该冷却方式有一定的的缺点待解决,喷雾冷却方式的系统复杂,空间要求很高,很难维护保养。喷雾冷却因其液体流量小,冷却后芯片温度分布均匀,应力小等优点被视为具有很好发展潜力的电子芯片散热方式。目前,由于存在的问题没有解决,只能用于军工、航空类产品中。王高远等人通过对 R134a 低压条件下喷雾冷却实验,得到低压条件下喷雾冷却随着压强的降低换热能力逐渐降低,并且闪蒸对换热能力影响很大,在布置喷嘴时需要考虑。在喷雾冷却工质中加添加纳米颗粒、表面活性剂、可溶性盐和气体以及醇类添加剂等对于换热特性有很大的提升。李依一通过实验验证添加表面活性剂后有效改善了喷雾冷却的传热性能,尤其是添加 SDS 效果最佳。但是目前加添加剂的方式仍在起步阶段,存在的问题比较复杂。

喷雾冷却受制于空间的限制,不能用于小型电子器件中,但应用于超级计算机中的效果非常好;目前喷雾冷技术以运用于 CREY超级计算机上,在数据中心中也得到大规模运用。随着该冷却方式的发展,相信应用方面会更加成熟。

1.1.3 射流冷却

射流冷却是利用高速喷射出的液体来冷却电子芯片。射流冲击热源由于其较高流速冲击可以带来很好的换热效果,液体在热源表面蒸发吸热也会带走很大的热量。在芯片表面的温度为 85℃,工质流量低于2.5 L/min,压降小于 36.05 kPa 的条件下,射流冷却的散热能力可以达到 300 W/cm2以上。射流冷却也分为单相换热和两相换热两种,单相换热边界层厚度会逐渐增大,影响传热效果;两相换热存在潜热,其换热效果比单相换热要高很多,也不存在边界层厚度增加的问题。

目前,两相换热成为研究热点。Javidan Mohammad等人使用多喷嘴喷射冲击冷却系统在最佳工作条件下使光伏模块的温度从 63.95℃ 下降到 33.68℃。3M 公司研制的射流冷却剂 Perfiuorocarbon 应用较多,其沸点为 55℃,冷却能力为 500 W/cm2,可以保持芯片温度低于 75℃。射流冷却也存在一些问题,比如喷射压力不能过大,否则会损坏电子设备;冷却系统内部结构相对其他方式比较复杂,占用空间较大等。

以上三种液体散热方式各有优缺点,喷雾冷却和喷射冷却比较相似,它们的结构都很复杂,不适合用于日常的电子设备中,但它们的散热能力强,喷雾冷却适合于超级计算机、大数据散热中;喷射冷却适用于军工类物品中,比如战斗机、航空器等,这两种散热方式在近几年是无法被取代的。微通道冷却是未来发展的大方向,无论是在日常电子设备还是其他精密电子仪器中,都将会采用这种方式。

1.2 热管冷却

热管冷却利用的是热管内部的工质蒸发吸热对电子设备进行冷却,热管两端分别为冷凝段和蒸发段,中间是绝热段。液体在蒸发段通过工质蒸发气化来吸收电子器件产生的热量,产生的蒸汽在内部压力的作用下流向冷凝段被凝结为液体,然后液体依靠毛细力流到蒸发段,形成一个循环结构。热管技术因其结构简单被广泛应用于军工、宇航等行业。佟振等人通过实验得到应用于数据中心的 CO2热管最大换热能力是R22的两倍,且冷源温度可以更低。王锦荣等人提出了一种非对称 U 形热管嵌入式散热器来进行 CPU 的散热,并通过实验得到了最好散热效果下的工况和安装方式。He Zhiguang 等人提出了一种用于数据中心的集成式热管冷却系统,使用遗传算法的能效优化方法,可以让冷却系统的能效比在特定模式下提高2~3倍。图 3 为平行流热管示意图。

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图3 平行流热管示意图

由于热管内部没有机械部件,所以不会产生噪音,可以用于计算机中进行散热。由于热管利用毛细力运输工质,所以极适合于零重力的工作环境,广泛应用于空间飞行器中。热管可以进行远距离传送热量,能够在狭小的空间内进行冷却,其传热温差小、传热量大,在电子器件方向已经趋于成熟。当然热管冷却也存在着一些问题,比如热管的腐蚀,热管内部和外部都会存在腐蚀,会影响到换热能力,甚至是导致热管内部的液体泄露;热管积灰问题以及结构布置对电子散热的影响也很大。

热管冷却将会广泛应用于计算机中,成为取代风扇散热的一种重要方式。热管也开始应用于核反应堆领域,可以提高反应堆的安全系数,更有效地控制温度。热管冷却技术随着存在的问题被克服,应用领域会越来越广泛。

1.3 热电制冷

热电制冷使用的是半导体材料,是一种基于塞贝克效应、帕尔贴效应、汤姆逊效应产生的一种新型制冷技术。热电制冷的原理是两种不同的半导体材料形成回路后施加电场,由于两种材料的电子密度不同,电子在两种材料间移动时经过接触点时会产生电子扩散,在接触点必然会与周围环境进行能量交换以满足能量守恒,半导体材料一端释放热量,另一端吸收热量,由此形成制冷系统。图 4 为热电制冷示意图。

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图4 热电制冷示意图

热电制冷没有机械部件,不会产生噪声,只有两个半导体构成因此稳定性和可靠性都很高。如果将连通热电材料的电流转换方向后,就可以进行制热。半导体制冷片的热惯性很小,在热端载热良好冷端空载的情况下,不到一分钟的通电时间,制冷片就可以达到最大温差。这种制冷方式不需要制冷剂,也就不存在对环境影响的问题。它的温度控制特别好,误差可以达到 ±0.1 ℃,但制冷量很小,很适用于高精密的小仪器,常用于医疗设备和测量设备中。钱小龙通过热电制冷技术在电子器件散热的数值分析,发现电子散热系统效率受到多个参数的影响,并且这些参数相互制约。

热电制冷的制冷效率比较低,只能达到 0.1~0.4,热电制冷效率低的原因就是受到了热电材料的限制,同时也制约了热电制冷在各个领域的进一步发展。丁露等人通过对热电材料的几何机构仿真模拟,得到增加热电材料长度、减小截面积并且增加金字塔台结构的倾斜角可以增大热电制冷的制冷效果。目前,热电制冷的研究趋于对热电材料的研究,通过找到更好的材料来提升制冷量和制冷效率。

1.4 相变储能冷却

相变储能冷却是利用相变材料在相变的时候需要很大的潜热,通过吸收电子设备产生的热量发生相变而自身温度不变化,然后吸收的热量利用其他方式散去。相变储能为目前国内新兴起的行业,利用相变储能冷却也是一种很受欢迎的散热方式。相变材料主要包括有机和无机相变材料;而有机相变材料由于具有潜热大、成本低、熔点范围广的特点,使之成为研究和应用最为广泛的材料。王苑瑾等人通过实验和仿真设计出一种导热率很高的相变储能模块,可以有效满足高功耗信息处理模块的散热要求,已应用于新一代的运载火箭电气产品中。桂鹏策等人详细介绍了相变储能材料应用于动力电池和智能调温纺织品的方法以及未来发展。郭茶秀等人介绍了多孔石墨泡沫与相变材料复合形成的复合相变材料在导热系数和吸热系数方面得到大幅提高,有利于应用于电子设备的散热。图 5 为相变储能示意图。

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图5 相变储能示意图

由于相变材料具有很高的潜热,但导热性能较差,适合用于较短时间的大功率电子设备中;利用其储能的特点,可用于间歇性达到峰值温度的设备。当电子设备断电后,有相变材料的设备恢复到环境温度的速度与其他方式相比更慢。相变储能冷却具有时间迟滞性,不适合极短时间内的散热需求。因为材料会发生相变,导致不易封装,甚至出现泄漏的问题。为了解决这些问题,目前研究者正在制备更多的新型相变材料,用以达到更好的散热性能。

目前应用相变储能冷却方式的并不常见,但相变储能冷却在高热耗、低热流密度、短时间工作的电子设备应用前景非常广阔,再加上近几年国内大力推崇相变材料,这种散热方式一定会被广泛应用。

02 新兴发展中的散热技术

2.1 二维材料

二维材料是指电子仅可以在两个维度的纳米尺度上自由运动的材料,即电子只能做平面运动,常见的二维材料有石墨烯、六方氮化硼、超晶格、量子阱等。二维材料因为其导热性能非常好,可用于电子芯片的封装来增强散热。石墨烯作为典型代表由于具有强 sp2键带来超高的热导率 5300 W/(m·K),可以作为一种很有前景的散热材料。很多文献中报道了各类石墨烯基薄膜、石墨烯纸、多层石墨烯/环氧聚合材料以及石墨烯薄片等,都可以用来做电子器件中的散热层。六方氮化硼,作为一种导热却不导电的二维材料,热导率可以达到 390 W/( m·K),膨胀系数是目前已知的陶瓷材料中最小的。图 6 为使用二维材料对 IGBT(绝缘栅双极型晶体管)进行封装的示意图。

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图6 使用二维材料对 IGBT 封装示意图

刘书田等人通过数值模拟得到具有最佳散热性能的二维多孔材料为正六边形微结构一类。吴祥水等人详细的介绍了二维材料的热传导测量技术以及各种二维材料的导热性能。鲍婕采用二维层状材料六方氮化硼解决高功率电子器件散热问题,并提出了进一步增强其散热效果的方案。

二维材料中石墨烯的散热应用是最具代表性的,作者认为在进行电子芯片散热的时候可以将石墨烯薄膜覆盖于芯片上,六方氮化硼填装到封装树脂中,这样可以很大程度的减小导热热阻。二维材料散热目前在行业内属于发展阶段,该领域还有很长的一段路要走。待成熟时,二维材料在芯片散热领域肯定会大放光彩。

2.2 离子风散热

在一个尖锐表面和一个钝表面间施加电场,尖锐表面附近会电离大量负离子,钝表面附近产生大量正离子,正负离子需要中和,负离子向正离子飞去。离子运动时会对周围流体产生很大的扰动,由于惯性带动着空气中的其他分子一起运动,产生离子风。图 7 为离子风产生的原理图。离子风散热技术最早是 Alex-ander Mamishev 教授 2006 年发明,全球电子产品微型化技术供货商 Tessera 基于离子风散热推出了电子液动力(Electrohydro Dynamic,简称 EHD)散热方案,表面积只有3cm2,可以装在笔记本电脑中。该散热方式最大的优点就是没有任何机械机构,不会产生噪音。离子风散热存在一些问题,比如系统的能耗可能会增加,离子风产生的电磁辐射也会影响人的健康,但是这些问题目前已经解决;对于如何防尘、如何延长使用寿命这些问题还正在解决。

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图7 离子风产生的原理图

单独的使用离子风散热效果并不是很好,与自然对流相比只能强一点,如果考虑经济效益就无法与自然对流相比。因此在使用离子风散热的时候可以加入低速风扇来流混合散热,低速来流与需要散热的电子器件平行,增加热量的运输;离子风垂直作用于电子器件,使电子器件表面产生强烈的局部湍流,增大换热系数。二者协同可使换热系数达到 60 W/(m2 ·℃),是自然对流换热的 3.5~4.5 倍,达到单独使用离子风散热的 1.7 倍以上,是单独使用来流散热的 2.5 倍左右,相当于 5m/s 以上来流单独散热的散热效果。曾敏军等人通过阵列设计得到最优结构的单针-环式离子风装置,实验测试后认为其性能可以和一般的风扇一样。李小华等人设计了一种“针-网”式离子风散热器,并实验验证了离子风散热应用于大功率LED 前照灯的可行性;通过实验验证电晕功率在 3W时该散热系统能在较短时间内降低 LED 芯片的引脚温度。

国内的 PC 厂商推出了应用离子风散热技术的笔记本,但是该散热方式也存在一些问题有待改进,离子风散热应该会成为未来电子散热的新趋势。

2.3 “5D”电子血液

“5D 电子血液”是由 IBM 发明的一种电子芯片散热方式,其思路来源于人的大脑,大脑中用于思考计算占总体积的 40%,进行相互关联沟通的占 50%,只有 10%是用来冷却散热。大脑中有很多的毛细血管,这些毛细血管是散热的关键,可以带走热量。“电子血液”也利用该原理,通过使用很多的管道,内部含有带电离子的电解液,当这些电解液流经芯片的时候带走芯片产生的热量,然后集中在中央储藏室进行冷却,重新充电后循环使用。电子血液管道的电解液为纳流体,该系统对于能源的需求比相同散热效率的风冷设备低了 40%。

2016 年,IBM 在德国举办的“CeBIT 2016”展会上展示了正在研发的“Electronic Blood”技术。该冷却方式还存在着散热和电力传输的难题,如果 IBM 能够克服这些困难,那么这个“电子血液”系统将能实现 80%的能源转化率。这项技术有望在 2030 年之前实用化,届时,计算机芯片将产生翻天覆地的变化。

03 结论

通过对以上几种散热方式的整理和分析,不难看出,随着电子设备的不断更新进步,电子设备的散热方式越来越开始追求轻便化和更高效率化。电子器件和电子芯片在更加精密、紧凑的同时,也带来了散热的难题。温度对电子设备的影响主要体现在两个方面:一是芯片的热失效,二是应力损坏。对比以上几种散热方式,如果单独使用一种方式存在的不足过多,可以使用多种方式联合散热,比如:离子风与强制空气冷却相结合进行散热;相变储能与热管联合散热;二维材料封装并利用其他散热方式相结合。“5D 电子血液”是一种非常有前景的技术,待研发出来将会是电子设备的大变革。电子设备用二维材料进行封装和底板加微通道会使用得越来越广泛,而其他的散热方式需要针对不同情况进行选择,作者个人最看好相变储能冷却和热管冷却。

目前,散热理论研究相对完整,但是技术难点也存在很多。散热技术存在的瓶颈问题,也间接阻碍了电子设备进一步发展。路漫漫其修远兮,突破当前难题并寻找更好的散热材料会一直是散热领域的热点问题。

原文信息DOI:10. 3969 /j. issn. 1002-1639. 2021. 11. 016

原文:电子设备散热的新技术 – 热管理网

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