電子設備散熱技術探討的論文
引言
隨著電子技術的飛速發(fā)展,大功率、高功率密度器件被大量研制和應用。電子設備在功率增加的同時，其熱耗也在增加,有些電子器件工作時的表面熱流密度已達數(shù)十瓦每平方厘米。大量的熱耗如果不能及時散發(fā)出去,將極大地影響電子設備的可靠性。據(jù)統(tǒng)計，在導致電子設備失效的因素中，溫度占55%(其余因素為灰塵6%,濕度19%,振動20%)1。電子設備的運行實踐表明：隨溫度的增加，電子元器件的失效率呈指數(shù)增長,對于有些電子器件,環(huán)境溫度每升高10°C,失效率甚至會增大一倍以上1,這在不同程度上降低了設備的可靠性。此外，由于設計理念的轉變，電子器件的封裝度不斷提高，小型化、模塊化成為電子設備的發(fā)展趨勢,這就對電子設備的熱設計提出了更高的要求,科學、有效的冷卻系統(tǒng)設計就顯得尤為重要。
1冷卻方式及冷卻介質的選擇
1.1冷卻方式的選擇
常用的冷卻方式主要有自然風冷、強迫風冷和強迫液冷三大類。自然風冷是最理想的冷卻方式,無需其他輔助設備，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。強迫風冷的冷卻系統(tǒng)結構簡單、緊湊,成本低,設備量少,但受外形尺寸及重量的限制，所提供的風量有限,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,可采用強迫風冷。液體冷卻系統(tǒng)相對復雜,設備量大,成本高,但其承受的熱流密度大,散熱效率高,熱負載溫度梯度小,適合熱流密度較高的場合。冷卻方式的選擇見圖1。
1.2冷卻介質的選擇
風冷電子設備的冷卻介質是空氣,根據(jù)電子設備的要求,有時需要對空氣進行除塵、除濕等處理。液冷電子設備冷卻介質的選擇,需要綜合考慮以下幾個方面：
1)冷卻介質的熱特性參數(shù)，包括導熱系數(shù)、比熱容等；
2)冷卻介質的物理特性,包括適當?shù)姆悬c和冰點及是否易燃、有毒等；
3)冷卻介質的相容性,要考慮冷卻介質對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，也有一些電子設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，其比熱容大，導熱系數(shù)高,且價格低廉。但水的冰點較高，不適合在低溫環(huán)境下（如冬季室外或高空中）對電子設備進行冷卻。軍用電子設備,特別是機載電子設備對環(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,其特點是冰點低、熱容大。水和65#冷卻液的性能比較見表1。
2冷卻系統(tǒng)設計
2.1冷卻系統(tǒng)的設計原則及準備
2.1.1設計原則
冷卻系統(tǒng)設計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，以滿足電子設備散熱可靠性的要求。在進行冷卻系統(tǒng)設計時,一般要考慮如下幾個方面:
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、維護方便；
4)冷卻系統(tǒng)具有較高的性價比。
2.1.2設計準備
在進行電子設備冷卻系統(tǒng)設計前，要首先明確以下幾點：
1)確定電子設備的工作環(huán)境。要確定電子設備的工作環(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)還是艙外及載機的高度。根據(jù)這些環(huán)境條件,估算出電子設備工作的環(huán)境極限溫度。
2)計算電子設備的熱耗及熱流密度。通過功率、效率計算,估算出電子設備的熱耗,結合電子設備的體積、散熱面積計算出電子設備工作時的熱流密度。
3)確定冷卻方式。根據(jù)電子設備的熱流密度,確定電子設備的冷卻方式并選擇合適的冷卻介質，同時還要確定電子設備的載體（如戰(zhàn)斗機）是否能提供所需要的冷卻介質。
4)確定冷卻介質的流量。根據(jù)電子設備的熱耗及確定的冷卻介質，可根據(jù)以下兩個公式計算出所需要的冷卻介質的流量（質量流量和體積流量）：
式中:qm為冷卻介質的質量流量；Q為模塊的耗散功率;cp為冷卻介質比熱容;At為冷卻介質的溫升;qv為冷卻介質的體積流量;p為冷卻介質的密度。
對于風冷電子設備，流量常用質量流量表示（單位:kg/s),其溫升At由電子設備的允許工作溫度和冷卻介質的`溫度決定,一般有數(shù)十攝氏度;對于液冷電子設備,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風冷系統(tǒng)設計
采用自然風冷時,如果電子器件的熱流量較小,靠空氣對流換熱帶走熱量即可;如果熱流量稍大，可以增加散熱器,散熱器傳導散熱與空氣對流散熱相結合。
當電子器件熱流密度大于0.04W/cm2時，用自然冷卻方法就不能有效地將熱量帶走，這時必須采用強迫風冷。從冷卻方式上分，強迫風冷有直接風冷和間接風冷兩種形式。直接風冷就是冷卻風直接吹到電子器件上,散熱效果較好，對于一些形狀不規(guī)則，體積較大，不易于間接風冷的電子器件（如變壓器），可采用直接風冷；間接風冷是把電子器件貼到冷板或散熱器上,冷卻風通過冷板或散熱器帶走電子器件的熱量。
從風的動力來源上分,強迫風冷又可分為吹風和排風兩種形式。吹風冷卻需要在設備進風口接風機,占用空間較大,且振動、噪聲也較大,但可以提供充足風量，冷卻效果比較好。對于機載設備,有時可利用壓縮空氣代替風機進行冷卻散熱。如果電子設備的安裝空間狹小且無壓縮空氣源，可考慮采用軸流風扇排風散熱,軸流風扇一般要靠近設備的出風口位置。我們常見的計算機CPU就是采用“散熱器+軸流風扇”的散熱模式，計算機的電源一般也采用軸流風扇排風散熱。
風冷電子設備冷卻系統(tǒng)承受的壓力一般比較小(<10kPa),且少量的風泄露不會對電子設備造成污染,故風冷系統(tǒng)對密封性要求不高。由于風冷電子設備的溫度梯度較大,在條件允許的情況下,增加風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)的設計
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，自然傳導散熱。它對電子器件和冷卻液的要求都比較苛刻,應用較少。
間接強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。間接強迫液體冷卻一般結構比較復雜，且需要能夠提供一定溫度和流量的液冷源設備，但它提高了電子設備的可維修性，同時也降低了對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迫液體冷卻。在進行間接強迫液冷設計時要注意以下幾點：
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,導致整個電子設備的損壞,故設計強迫冷卻系統(tǒng)時一定要進行嚴格的壓力試驗,以確保冷卻系統(tǒng)的可靠性。
2)有的電子設備可能不同部位的多個電子器件都需要冷卻，這時冷卻系統(tǒng)還要具有分流、集流裝置,在設計時要確保各個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,冷板應選用導熱系數(shù)高的材料（如銅或鋁）制作，冷板表面應盡量平整、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有足夠的壓緊力，并根據(jù)需要填加導熱硅膠或導熱墊（現(xiàn)有一些相變材料的導熱墊，可在部分場合代替導熱硅膠）。填加的導熱膠或導熱墊的厚度應盡量薄，以免增加額外的熱阻。
5)間接液冷系統(tǒng)電子設備的溫度梯度較小,在冷卻液流量達到某個值后,再盲目地增加冷卻液流量并不能達到很好的散熱效果。如果需要進一步改善冷卻效果,就需要對冷板的結構進行改進,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彎、擴張或收縮以免局部壓力損失過大。
7)對于熱耗較大、對溫度比較敏感的電子器件應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
計算機仿真是冷卻系統(tǒng)設計不可或缺的一個手段，現(xiàn)在常用的設計軟件有ICEPAK,FLUENTFLO-THERM,CFdesign等,這些熱設計軟件極大地提高了熱設計的效率，降低了設計成本,特別是對于一些新型散熱器或復雜冷卻系統(tǒng)的設計,其設計效果尤為明顯。圖4是某間接強迫液冷系統(tǒng)的仿真結果，從圖中可以看出,在冷板內(nèi)部加設翅片后,冷卻效果有了很大的改善。此外,還可以改進翅片的材料、形狀等以進一步改善散熱效果,但如果翅片結構過于復雜,冷板的流阻也會隨之上升。
試驗是檢驗冷卻系統(tǒng)冷卻效果的必要環(huán)節(jié)。通過前期的計算、仿真、設計,做出實物樣機后,必須通過嚴格的試驗檢驗冷卻系統(tǒng)的各項指標（包括流阻、密封性、溫升等）是否滿足設計要求。
4結束語
熱設計是提高電子設備可靠性的必要手段，我國1992年7月頒布了國家軍用標準GJB/Z2742《電子設備可靠性熱設計手冊》是進行熱設計的基本依據(jù)。本文主要介紹風冷和液冷技術在電子設備散熱方面的應用及設計時需要注意的問題。風冷和液冷技術現(xiàn)在應用得比較多,也比較成熟,所需要進一步研究的是開發(fā)出導熱系數(shù)更高的材料,設計出散熱效果更好的散熱器。鉆石的導熱系數(shù)達到了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熱系數(shù),如單壁納米管和多壁納米管在常溫下的導熱系數(shù)已達到3000W/m?K以上，如果這些材料能得到普及應用，將對電子設備的散熱技術產(chǎn)生革命性的影響。
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