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功率电子散热技术 张雪粉，陈旭 (天津大学化工学院过程装备与控制工程系，天津300072) 1 引言 现代功率电子设备正在迅速地向高集成度、高密度组装、高运行速度方向发展。作为功率电子设备核心的芯片，工作的主频越来越快，消耗的功耗越来越大，发出的热量也越来越多。若器件的散热能力不强，则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高。元器件的失效率与其结温成指数关系[1]，性能则随结温升高而降低。器件的工作温度每升高10℃，其失效率增加1倍[2]。 因此，为了提高功率电子设备的丁作性能和可靠性，对电子设备进行合理的热设计，采取合理的外部散热措施，显得更加必要和迫切。本文介绍了用于功率电子设备的风冷、水冷、微管道散热器、热管技术等散热技术，阐述了各种散热技术的原理和特点，简要介绍了必威体育精装版的国内外学者的研究成果。2 功率电子常用散热技术目前功率电子设备常用的散热技术有风冷、水冷、微管道散热器、热管技术等。 2．1 风冷图1是风冷散热器的示意图。利用风冷散热器对电子芯片进行冷却是最简单、最直接、成本最低的散热方式。一般来说，空气冷却或强制风冷技术大多应用在低功耗或中等功耗的器件或电子设备中。目前，采用先进风扇和优化大面积热沉，空气冷却技术的冷却能力可达50W·cm-2[3]。风冷散热器的原理很简单：芯片耗散的热量通过粘结材料传导到金属底座上，再传导到散热片上，通过自然对流或强制对流把热量散发到空气中。 传导和对流是两种主要的传热方式。要在允许的温度条件下将芯片耗散的热量传递到大气环境，可以采取下列方法加强传导和对流散热。 2．1．1 采用导热性能好的材料作散热器在常见的金属中，银的导热系数最高，但是它的价格着实不菲。现在常用的散热器材料主要是铝和铜。铝价格便宜，密度小，好加工，导热性能良好。相比较而言，铜的导热系数比铝的大，许多散热能力超强的散热器均采用纯铜打造。但铜材料价格昂贵、易氧化，加工成本高。目前出现铜铝复合型散热器，即底部为铜，散热片为铝，具有良好的散热性能和经济性。 2．1．2 增大散热器的散热面积散热面积越大的散热器，其热容量越大。散热器的肋片越多，其散热表面积越大，这样热量可以散发得更快。不同的肋片高度和肋间距决定了对流面的面积，是影响散热器换热效果的重要因素。肋片的布局关系到散热器内气流组织、换热系数以及应用特点。为了提高换热系数，可以采用波纹状肋面制造紊流。余小玲等[4]针对平板翅片式散热器存在的不足，提出了一种翅片问设有钉柱的翅柱复合型敞热器。钉柱能够使通过该散热器的气流受到扰动，从而提高其散热性能。在相同的风速下，翅柱式散热器表面的Nusselt数比板翅式散热器高30％～45％；在相同的泵送功率下，翅柱式散热器的收益因子比板翅式散热器约高20％。因此，在相同的工况下，翅柱式散热器具有更好的散热性能，并具有可靠性高、使用成本低的优点，在电子设备的冷却中具有较高的使用价值。 2．1.3 强迫风冷选择合适的风扇或鼓风机，加快散热片周围空气的流动，可以改善气流组织，提高对流换热系数，从而改善散热效果。 国内外有许多学者对风冷散热器进行了研究。Malhammer[5-7]研究了在给定芯片表面与环境的温差及流速条件下，散热器的散热量随肋间距的变化，并对不同流速下散热器的散热量进行了比较，研究了在给定芯片表面与环境的温差、流速及肋片厚度条件下，散热器散热量随肋问距的变化，对不同肋片厚度的散热器的散热量进行比较。蒋长顺等[8]用CFD软件模拟了具有平板型热沉的三维多芯片组件的热量传递过程和温度分布，得出空气流速、热沉肋片数对芯片最高结点温度的影响。对一定的热沉结构，在强制对流时，增大流体速度，在某一速率范围，热交换率随流速增大的变化比较明显，芯片结点温度下降得比较快，随着流体速度的进一步增大，对改善其热性能的作用会减小。肋片的厚度为常数，随肋片数增多，热沉与流体的接触面积增大，提高了热沉表面的热交换系数，更多的热量町以由空气流体散发到环境中，可以显著地减小芯片的最高结温。 2．2 水冷水冷又称为液冷。它的散热效率高，热传导率为传统风冷方式的20倍以上，且无风冷散热的高噪音，能较好地解决降温和降噪问题。水冷散热装置大致可分为微型水泵、循环管、吸热盒和散热片四个部分。水冷散热的原理非常简单，如图2所示。水冷散热是一个密闭的液体循环装置，通过泵产生的动力，推动密闭系统中的液体循环，将吸热盒吸收的芯片产生的热量，通过液体的循环，带到面积更大的散热装置，进行散热。冷却后的液体在次回流到吸热设备，如此循环往复。 吸热盒和散热片设计上多采用铜、铝或铜铝复合结构。在吸热盒的设计中，流体与吸热盒之间的吸热盒壁应尽量薄，在吸热盒平行于加热片的剖面上，冷却液与吸热盒间隔壁面积之比应尽量大，加