半导体电子元器件的散热解决方案

热设计对电子设备的重要性

电子设备制造商规定了设备工作的最高允许温度。如果高于这个温度，就不保证预期性能和寿命。所以，给电子设备冷却，使之工作在最高允许温度以下非常重要。随着高性能微电子设备投入市场，设备的散热量更大，需要使用效率更高的冷却技术来保持设备在允许温度下工作。

电子设备工作在较低温度下有很多好处。随着温度降低，微处理器的时钟频率增加，性能提高。另外，温度的降低会减少前述与温度相关的故障的概率。

在电子设备设计中，除了性能提高和可靠性增加必须要求电子设备具有良好散热性能以外，消除噪声、减少能量消耗、降低设备造价也需要有良好的散热。如果设备通过某种途径合理散热风扇的噪声、能量消耗和费用将会降低。特别是对于客厅和卧室的电器来说，低噪声是一项重要指标；对于消费性电子产品来说，低造价很重要；无论是大型还是小型电器，低能量损耗都是很重要的。

 

半导体电子元器件的散热解决方案

在电子器件的高速发展过程中，电子元器件的总功率密度也不断的增大，但是其尺寸却越来越较小，热流密度就会持续增加，在这种高温的环境中势必会影响电子元器件的性能指标，对此，必须要加强对电子元器件的热控制。如何解决电子元器件的散热问题是现阶段的重点。对此，接下来主要对电子元器件的不同散热方案进行简单的介绍和分析。

（1）选择高导热性材料

材料性能是决定散热好坏的重要因素，研发较高热导率的材料是解决电子散热的根本途径。

（2）翅片散热器

翅片散热器是一种传递热量的被动热交换装置。散热片通常是一个金属的部件，它可以附着在设备上，通过增加工作表面积和增强表面低温流体的流动将热量散发到周围的流体中，以防止设备过热。

（3）界面填充材料

热界面材料（Thermal Interface Material）是用于涂敷在散热器件与发热器件之间，降低它们之间接触热阻所使用的材料的总称。

凡是表面都会有粗糙度，所以当两个表面接触在一起的时候，不可能完全接触在一起，总会有一些空气隙夹杂在其中，而空气的导热系数非常之小，因此就造成了比较大的接触热阻。而使用热界面材料就可以填充这个空气隙，这样就可以降低接触热阻，提高散热性能。

     

（4）热管散热器

热管热交换器（Heat Pipe Heat Exchanger）1964年诞生于美国洛斯-阿洛莫斯国家实验室（Los Alamos  National Laboratory）。作为一种无噪音的散热技术，热管散热器于20世纪80年代开始用于电子设备的散热，近两年来在PC中的应用明显加快了步伐。

热管一种无源被动器件，工作原理是饱和液体从较高温侧吸热汽化，饱和气体向较低温侧放热冷凝。由于大多数电子设备的工作温度范围是25-150℃，因此水热管是最常用的。具有很高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向可逆性、可远距离传热、恒温特性（可控热管）、热二极管与热开关性能等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。

(5) 均热板

均热板是一个内壁具有微细结构的真空腔体，通常由铜制成。当热由热源传导至蒸发区时，腔体里的冷却液在低真空度的环境中受热后开始产生冷却液的气化现象，此时吸收热能并且体积迅速膨胀，气相的冷却介质迅速充满整个腔体，当气相工质接触到一个比较冷的区域时便会产生凝结的现象。借由凝结的现象释放出在蒸发时累积的热，凝结后的冷却液会借由微结构的毛细管道再回到蒸发热源处，此运作将在腔体内周而复始进行。

 

（6）风扇强制对流冷却

风冷散热是最常见的，而且非常简单，就是使用风扇带走散热器所吸收的热量。价格相对较低，而且安装简单，但对环境依赖比较高，例如气温升高散热性能就会大受影响。

 

（7）液体强制对流冷却

液冷是使用液体在泵的带动下强制循环带走散热器的热量，与风冷相比具有安静、降温稳定、对环境依赖小等等优点。但液冷的价格也相对较高，安装也相对麻烦一些。

（8）空气射流冷却

射流冲击冷却是强迫对流传热方式中传热效率最高的方式之一，在射流冲击中，介质一般是空气和水，具有容易取得、成本低廉、安全无污染等优点。

射流冲击技术的工作介质为空气，当气流以较高的速度冲击电子元器件表面，并与电子元器件表面产生非常薄的气体边界层时，气体与电子元器件间保持较高的对流换热系数。

（9）热电制冷

热电半导体制冷利用一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端，从而产生导热作用

 

（10）相变散热

利用物质相态变化，释放潜热的技术，称为相变散热技术。

（11）微通道散热

微通道，也称为微通道换热器，就是通道当量直径在10-1000μm的换热器。这种换热器的扁平管内有数十条细微流道，在扁平管的两端与圆形集管相联。集管内设置隔板,将换热器流道分隔成数个流程。

微通道换热器按外形尺寸可分为微型微通道换热器和大尺度微通道换热器。微型微通道换热器是为了满足电子工业发展的需要而设计的一类结构紧凑、轻巧、高效的换热器,其结构形式有平板错流式微型换热器、烧结网式多孔微型换热器。大尺度微通道换热器主要应用于传统的工业制冷、余热利用、汽车空调、家用空调、热泵热水器等。其结构形式有平行流管式散热器和三维错流式散热器。由于外型尺寸较大(达1.2m×4m×25.4mm),微通道水力学直径在0.6~1mm以下,故称为大尺度微通道换热器。

（12）增强辐射的表面涂层材料

强化辐射传热有两条途径，一是增大有效热辐射面积，一是提高的表面热辐射率。提高物体表面热辐射率的方法主要有铝表面阳极氧化、喷漆以及喷涂辐射散热涂料。例如：油漆，碳化硅，纳米碳球，辐射散热涂料等。

（13）液浸散热

数据中心是耗能大户。根据IDC，到2024年数据中心耗电量将占到全社会耗电量的5%以上。其中，散热占到了数据中心非常大比例的电能消耗，有的甚至可以到一半以上。

为了节约散热成本，不少国际互联网巨头，常常会把数据中心建在爱尔兰这种气候阴凉的地方。可是，如果可以服务器直接泡在液体里散热，是不是黑科技？

利用热交换的原理，将服务器完全浸没在一种特殊的冷却液里，冷却液吸热气化之后，将直接吸收进入外循环冷却，被液化之后再次用于散热。

 

早在2016年，阿里巴巴就推出了全球首台浸没式液冷服务器，将服务器被浸泡在特殊的绝缘冷却液里，运算产生热量可被直接吸收进入外循环冷却，全程用于散热的能耗几乎为零。  

如今绝大部分数据中心还在使用风冷散热，部分高端的设备虽然采用了冷板式的液冷，但是全浸没的方式距离应用还有很长一段时间。

（14）电流体流动散热

如果在尖锐电极(如金属丝)和钝电极(如金属板)之间作用较大的电压差，则会在尖锐电极附近产生的强烈电场将其附近的部分空气分子电离。这些带电的空气分子在电场的作用下从尖锐电极(即电晕极)向钝电极(即集电极)移动。随着这些带电空气分子向集电极移动，它们与其他中性的空气分子相互碰撞，向它们传递动量，产生向集电极的一团气流。如果将电压差作用在一团强制对流气流上，如散热器中翅片间的流动或是外掠平板流动，离子风就会扭曲边界层，因此增加局部换热量。已经观察到离子风可以使低速层流流动的局部对流换热系数增加200%以上。

 

（15）两相浸液冷却

与单相液体冷却相比，两相冷却可以实现更节能、更均匀的冷却，更好的散热，并减少泵送功率，而在单相液体冷却过程中，液体始终保持液态。

（16）压缩机制冷

压缩式制冷器由四部分组成：压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀。其工作过程为：低温低压的液态制冷剂（例如氟利昂），首先在蒸发器里从热源吸热并气化，然后压缩机抽取蒸发器里气化后的制冷剂气体并压缩到冷凝器内，此时制冷剂气体变成高温高压气体。该高温高压气体在冷凝器内被冷却凝结成液体，经膨胀阀流回蒸发器，如此就完成一个制冷循环

编辑：黄飞