电子器件散热技术解析与应用考虑因素

 

      随着电子器件高频、高速和集成电路技术的迅猛发展，电子元器件的总功率密度急剧增加，而物理尺寸却越来越小。由此带来的高温环境不可避免地对电子元器件的性能产生影响，因此需要更有效的热控制方法。解决电子元器件散热问题成为当前的重点任务。本文旨在简要分析电子元器件的散热方法。
 

电子元器件的高效散热问题主要受传热学和流体力学原理的影响。电气器件的散热是控制电子设备运行温度，从而保证其温度性能和安全性的过程。这涉及散热和材料等多个方面的内容。目前主要的散热方式包括自然散热、强制散热、液体散热、制冷散热、疏导散热和热管散热等。

 

一、自然散热或冷却方式

自然散热或冷却方式指的是在自然条件下，不依赖任何外部辅助能量的影响，通过局部发热器件向周围环境散热的方式进行温度控制。其主要方式包括导热、对流和辐射等几种集中方式，其中对流和自然对流是主要应用的方法。自然散热或冷却方式主要适用于对温度控制要求较低、器件发热功率密度相对较低以及低功耗设备和组件。在密封和高密度组装的器件中，无需采用其他冷却技术，仅靠自然散热即可满足要求。在某些情况下，当对散热能力要求相对较低时，也可以利用电子器件自身的特性，通过增加与附近热沉之间的导热或辐射传递来优化结构，从而提高系统的散热能力。

二、强制散热或冷却方法

强制散热或冷却方法是通过风扇等设备加速电子元器件周围空气的流动，以带走热量的方式。这种方法简单方便，效果显著。如果电子元器件的空间较大，使空气能够流动或者安装散热设备，就可以采用这种方式。在实践中，提高对流传热能力的主要方法如下：合理增加散热表面积，使散热表面具有较大的对流传热系数。

在实际工程中，增大散热器表面积的方法得到广泛应用。通过使用翅片等方式扩展散热器表面积，从而增强传热效果。翅片散热方式有不同形式，在某些表面热耗电子器件和空气中应用换热器。采用这种方式可以减小热阻，提高散热效果。而对于功率较大的电子器件，则可以采用航空中的扰流方式处理，通过在散热器中增加扰流片，在散热器表面的流场中引入扰流，以提升换热效果。

三、液体冷却散热方法

液体冷却是一种基于芯片和芯片组件的散热方式。液体冷却主要分为直接冷却和间接冷却两种方式。间接液体冷却方式通过将液体冷却剂与电子元件间接接触，并利用液体模块、导热模块、喷射液体模块和液体基板等辅助装置，在热源元件之间传递热量。直接液体冷却方式也称为浸入冷却方式，液体直接接触相关电子元件，通过冷却剂吸收和带走热量。这种方式主要适用于高热耗密度或高温环境中的器件。

四、散热或冷却方法的制冷方法

散热或冷却方法的制冷方式主要有相变冷却和Peltier制冷两种。它们在不同环境下采用不同的方式，应根据实际情况进行合理应用。相变冷却利用制冷剂的相变吸收大量热量，可用于特定场合中的电子器件冷却。一般状态下，通过制冷剂的蒸发来带走环境中的热量，包括容积沸腾和流动沸腾两种类型。在一般情况下，深冷技术也在电子元器件冷却中具有重要价值和影响。对于功率较大的计算机系统，可以采用深冷技术，提高循环效率，并具有广泛的制冷数量和温度范围，整个设备结构紧凑且循环效率较高。Peltier制冷是通过半导体制冷的方式散热或冷却常规的电子元器件，具有体积小、安装便捷、质量强、易于拆卸的优点。这种方式也称为热电制冷方式，通过半导体材料的Peltier效应，在直流电通过不同半导体材料串联时形成电偶，可以通过在电偶两端吸热和放热来实现制冷效果。这种方式是一种产生负热阻的制冷技术，稳定性较高，但成本相对较高，效率较低，适用于体积紧凑、对制冷要求较低的环境。其散热温度≤100℃，冷却负载≤300W。

五、散热或冷却中的能量转移方式

通过传热元件将电子器件释放的热量传递给另一个环境，以实现散热或冷却。随着电子电路集成化的进展，高功率电子器件越来越多，器件尺寸也变得越来越小。因此，散热装置本身需要具备良好的散热条件。热管技术由于其优异的导热性能和良好的等温特性，在电子电气设备的散热领域得到广泛应用。热管具有可变热流密度和良好的恒温特性，能快速适应不同环境，具有灵活、高效和可靠的散热特点。目前，它广泛应用于电气设备、电子元器件冷却以及半导体元件的散热领域。热管是一种高效的相变传热传导模式，在电子元器件散热中得到广泛应用。在实践中，需要根据不同要求对热管进行独立设计，并合理分析重力和外力等因素的影响。在热管设计过程中，还需考虑材料、工艺和洁净度等问题，严格控制产品质量，并对其进行温度监控处理。

六、热管散热

典型的热管结构包括管壳、多孔毛细管芯和工作介质。在真空状态下，工质从蒸发段吸收热源释放的热量并汽化，在微小的压差驱动下迅速流向冷凝段，并将潜热释放给冷源而凝结成液体。然后，在吸液芯毛细抽吸力的作用下，凝结液从冷凝段返回蒸发段，并再次吸取热源释放的热量。如此循环往复，不断将热量从蒸发段传递到冷凝段。热管最大的优点是能够在小温差条件下传递大量热量，其相对导热率是铜的几百倍，并被称为 "近超导热体"。然而，每只热管都存在传热极限。当蒸发端产生的热量超过某个临界值时，热管内的工作介质会完全汽化，导致循环中断，热管失效。由于我国在微型热管技术方面尚未成熟，因此在电力电子设备冷却中尚未广泛应用该技术。