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技术交流

电子器件温度控制技术

电子器件温度控制技术

王文李庆友

（上海交通大学制冷与低温工程研究所上海 200030）

wenwang@sjtu.edu.cn

摘要：随着电子器件的高频、高速以及集成电路技术的迅速发展和MEMS(Micro Electronical Mechanical System)技术的进步，电子元器件的总功率密度大幅度增长而物理尺寸却越来越小，热流密度也随之增加，所以高温的温度环境势必会影响电子元器件的性能，这就要求对其进行更加高效的热控制。因此，有效解决电子元器件的散热问题已成为当前电子元器件和电子设备制造的关键技术。本文针对电子元器件的散热与冷却问题，综述了当前应用研究中不同的散热和冷却方法，并进行了适当的分析。

关键词：散热，冷却，电子器件

1、引言

近几年来特别是微电子机械(MEMS)技术发展十分迅猛，并逐渐拓展于多个应用场合,微小型化已成为当代科技发展的重要方向之一。微型制冷技术既依赖于MEMS技术的发展，也同时是MEMS技术发展的需要。众所周知，集成电路技术的快速发展，导致各种电子器件和产品的体积越来越小，集成器件周围的热流密度越来越大，以计算机CPU为例，其运行过程中产生的热流密度已经达到60-100W/cm2，半导体激光器中甚至达到10³ W/cm²数量级。另一方面，电子器件工作的可靠性对温度却十分敏感，器件温度在70-80水平上每增加1，可靠性就会下降5%。较高的温度水平已日益成为制约电子器件性能的瓶颈，而高效电子器件的温度控制目前已经渐渐成为一个研究热点。

电子器件的温度控制（或称热控制）的目的是保证其工作的稳定性和可靠性，其中涉及的传热学、流体力学、材料等多个学科背景。从实施的角度看，电子器件的温度控制一般可分为被动控制和主动控制。

2、被动温控技术

被动控制指利用高导热材料作为热桥与热沉或热源形成一个传热通道，从而使热桥另一端的器件维持在某个设计温度范围内，大多数情况下这里的热沉是依靠自然对流或辐射换热向环境散热的金属框架、具有专门的散热片等；或者根据对象的需要，在局部设计绝热结构以隔绝温度敏感元件与一些热源的主要传递途径；也有根据需要在一些局部设计相变材料作为储能和释能的单元维持温控需要的能量。

2.1 自然散热或冷却方法

自然散热或冷却方法是指不使用任何外部辅助能量的情况下，实现局部发热器件向周围环境散热达到温度控制的目的，这其中通常都包含了导热、对流和辐射三种主要传热方式，其中对流以自然对流方式为主，自然散热或冷却往往适用对温度控制要求不高、器件发热的热流密度不大的低功耗器件和部件，以及密封或密集组装的器件不宜（或不需要）采用其它冷却技术的情况下。有时，也因地制宜利用被控部件自身特点增强与邻近热沉的导热或辐射、通过结构设计强化自然对流，在一定程度上提高系统向环境散热能力。

2.2 辐射换热

在空气稀薄、环境温度较高和较低温度的场合辐射换热则在其中占较大比重。辐射换热的换热量主要与换热体之间的温度水平以及温度差、换热体表面吸收率和发射率、换热体之间的相对位置关系等。以航天领域电子器件温度控制为例，由于带有电子器件的物体大多处于空气稀薄环境，辐射换热是其主要手段，在热控设计时，需要考虑辐射换热面的表面涂层、换热面的折叠、遮掩与展现等。

2.3 相变蓄热的应用

物质发生相变时，通常伴随着大量的相变潜热。利用其这一特性，可以在短暂使用或者热流密度很大,而且很难组织与环境有效的热交换的应用场合，通常可以考虑选择一些常压下在某些电子器件工作温度区段进行固液相变的材料，可利用相变材料相变潜热吸收一定时段内运行的电子器件（如移动电话、便携式电脑）产生热量，从而对电子器件进行保护。相变蓄热材料分石蜡类、非石蜡类、无机盐水合物、金属等。

3、主动温控技术

主动温控通常指另外增加动力对某些器件进行温度控制，例如电加热提高温度、风扇造成强制对流换热、依靠各种形式的泵提供驱动的液体冷却系统，以及利用制冷或热泵技术形成局部的热源或热沉进行更强的温度控制等。

3.1 强制散热或冷却方法

强制散热或冷却方法主要是借助于风扇等强迫器件周边空气流动，从而将器件散发出的热量带走的一种方法。这种方法是一种操作简便、收效明显的散热方法。如果部件内元器件之间的空间适合空气流动或适于安装局部散热器，就可尽量使用这种冷却方法。提高这种强迫对流传热能力的方法主要有：增大散热面积（散热片）和在散热表面产生比较大的强迫对流传热系数（紊流器、喷射冲击、静电作用）。增大散热器表面的散热面积来增强电子元器件的散热，在实际工程中得到了非常广泛的应用。工程中主要是采用肋片来扩展散热器表面的散热面积以达到强化传热的目的。肋片式散热器又称气冷式冷板，如：型材、叉指、针状等各种型式，长期、广泛地作为热耗电子器件的延伸表面与所处环境（主要是空气）的换热器件。如普通台式电脑芯片上肋片散热器和风扇等。如果在散热器（热沉）上加工上微通道，这样可以减小热沉热阻，进一步提高散热效果。例如，冷却大功率半导体激光器的微通道热沉^[5]。对一些较大功率的电子器件，在现有型材散热器中增加数小片扰流片在散热器表面的流场中引入紊流可以显著提高换热效果。

当然，散热器本身材料的选择跟其散热性能有着直接的关系。目前，散热器的材料主要是用铜或铝，其扩展换热面经折叠鳍/冲压薄鳍等工艺制成，其特点主要是导热系数高、延展性好和性质稳定等。另外，随着MEMS技术发展，硅基加工技术越来越成熟，将散热结构与集成电路制造统一起来也是集成电路设计和制造一个发展方向。此外，在一些特殊场合新材料技术也在不断发展，例如，电绝缘、高导热率的陶瓷材料的开发与制造等。

3.2 液体冷却方法

对电子元器件采用液体冷却的方法进行散热，主要是针对芯片或芯片组件提出的概念。液体冷却包括直接冷却和间接冷却。间接液体冷却法就是液体冷却剂不与电子元件直接接触，而热量经中间媒介或系统（如液冷模块、导热模块、喷射液冷模块、液冷基板等）从发热元件传递给液体。通常需要在这种系统中配置泵以维持液体的循环，例如在近几年的台式机和笔记本产品中有采用水冷系统散热结构。近年来为了满足不断增长的芯片级液体冷却需求，伴随着MEMS技术的发展，各种微泵技术获得了极大的发展。比较典型的微泵主要是由硅、高分子材料、压电材料等组成的各种振膜式压缩机。

直接液体冷却法（又称浸入冷却）是指液体与电子元件直接接触，由冷却剂吸热并将热量带走，它适用于热耗体积密度很高或那些必须在高温环境下工作且器件与被冷却表面之间的温度梯度又很小的部件以及高度封装或大功率电子器件的2-D或3-D封装。例如，在一些高速计算机里直接把电子器件浸在氟化烃溶液中，利用它进行直接冷却。也有研究者提出了一种振动诱导雾化冷却系统，这是一种液滴冷却技术。其特点是：使用电介质冷却液作为工作介质，通过控制液滴直径和频率来控制冷却功率，可以被用来冷却芯片。

3.3 制冷方式或冷却方法

制冷从客观上讲，就是给高温热源提供一个连续低温的热源，使其温度得到控制。从制冷的方式来讲，在电子器件中采用主要有利用制冷剂相变制冷和Peltier效应制冷。

制冷剂的相变冷却

这是利用制冷剂发生相变时大量吸收热量的特性，在特定场合下对电子器件进行冷却。一般所说的相变冷却主要指制冷剂蒸发从环境吸热，其包括两种情况：容积沸腾（静止液体沸腾，又叫池沸腾）和流动沸腾。IBM公司曾研制出采用浸渍式池状沸腾冷却方案的液体封装组件（LEM），它的换热系数可高达1700～5700W/m²·K，组件的热耗量达300W。然而，对于相变冷却的应用，还有一些技术问题尚待解决，特别是流动沸腾。

在某些情况下，深冷技术也在电子元器件冷却方面发挥了重要的作用。如ETA大型计算机就是使用了深冷技术。对于某些大功率巨型计算机系统，其芯片的冷却也可以采用循环效率较高的蒸汽压缩式制冷装置。这种方法的优点是制冷量及制冷温度范围方面均比较宽广，机器设备结构紧凑，循环效率可达4.0，比热电制冷高一个数量级。

Peltier制冷

用制冷的方式来散热或冷却常规的电子元器件，制冷装置体积小、质量轻、安装和拆卸要方便往往是首要考虑的因素，而小型的半导体制冷就符合这样的要求。半导体制冷又称热电制冷，是利用半导体材料的Peltier效应。当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，从而实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动件，可靠性也比较高，主要缺点是效率较低、成本高，只适用于体积紧凑、制冷要求不高等特殊场合。其散热温度≤100℃；冷却负载≤300W。

4．电子器件温度控制中的热管技术

在电子器件的热设计中，常常因为电路板空间十分有限，需要将电子器件所散发出的热量传递到另外一个地方集中或更高效地向环境散热。随着电子电路集成化程度越来越高，各种大功率电子器件容量的逐渐增加，电子器件或装置物理尺寸越来越小，这就要求散热装置本身必须具有良好的散热条件。同时，散热装置的布置和设计遇到的约束也越来越严重。以微电子芯片为例^[2]，目前一般已达到60~90W/cm²，最高已达200W/cm²。传统的强制风冷只能用于热流密度不大于10W/cm²，对于这种情况已显得无能为力，而进一步提高扩展散热面往往受当地空间的限制。例如对常规大功率半导体元件如二极管、可控硅整流器、大规模集成芯片（LSIchip）的冷却常规的挤压成形的翅片铝板散热器在散热量达到1000W以上时，铝板的受热就受到了限制，而实践表明热管散热器在这方面有着无可厚非的优势，与铝板散热器相比，其不但重量可减轻50%，而且还可以节省60%的有用空间。热管由于具有极高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、流动方向的可逆性、恒温特性（可控热管）和良好的环境适应性等优点，已经在电气设备、电子元器件冷却、半导体元件以及大规模集成电路板等场合的温度控制中得到了广泛的应用，它在大多数情况下可以满足电子电气设备对散热装置紧凑、可靠、控制灵活、高散热效率等要求。

热管应用始于航天工程的需要，随着电子元器件、集成电路温度控制的需要，小型和微型槽道热管技术的发展获得了广泛关注，此外毛细泵回路、脉动热管等发展也十分迅速。热管应用中另一个需要关注的问题是可靠性，由于其制造材料、工艺、管内洁净度等问题会导致一段时间后传热性能下降，所以要严格控制其产品质量，进行老化试验同时必须对被冷却的器件进行温度监控。

5. 热隔离方法

热隔离即绝热，这里主要指根据关键部件温度控制的需要，将其与一些对其温度波动影响较大的对象进行绝热。从传热原理角度来说，绝热可以分为真空绝热和非真空绝热^[17]，而在电子元件上温度控制上普遍应用的基本上是非真空绝热。非真空绝热是借助于低导热系数的绝热材料来实现的。这种绝热形式又称为容积绝热，因为其绝热效果与绝热材料的厚度有关。此外材料的导热系数等物性参数对隔热效果的影响很大。

这种方法主要应用在需要控制局部器件的温度，而阻止某些方面的高温器件或物体对特殊受控部分可能产生的升温影响。可以保证特殊受控元件的可靠、正常工作，从而延长整个设备的工作寿命。

需要指出的是，由于电子器件温度控制的市场需求非常大，新的技术不断有研究者提出并深入开发。例如现有制冷系统的微型化，包括前面提及的压缩制冷的微型化，以及机构比较简单的脉冲管制冷系统以及热声制冷系统的微型化等也有人在探讨。结合微泵技术，微型喷溅冷却也是一有潜力的技术，其结构也非常简单，主要由一个腔体和一个驱动膜片构成。工质一般为气体，在驱动膜片对面的腔体壁上开一小孔或狭缝。当膜片的振动频率足够大时，就会在空外形成连续的射流场。据报道，主流区的最大喷射速度可达30m/s。这种方法在微电子器件冷却方面应用前景非常广阔。

6、热分析以及散热或冷却方法的选择

在对电子器件及其系统进行热管理和热设计时，首先需要对研究对象要有一尽量系统全面的认识，即利用工程热物理背景知识对部件或系统建立模型进行分析，或利用现有的有限元工具，对虚拟系统进行流场、温度场和热流场分析，将系统的热设计与其功能设计、结构设计等统一起来，基于样品或样机试验的基础上，确定最终设计方案。

散热或冷却方法是根据质量因素热耗体积密度（或热耗密度）、热阻来选择的。常用冷却技术单位面积的最大功耗见表1。

表1：常用冷却技术单位面积的最大功耗

冷却技术	单位传热面积的最大功耗（W/cm²）
空气自然对流和辐射	0.08
强迫风冷	0.3
空气冷板（加散热片的强迫风冷）	1.6
液体冷却（强制间接液冷）	16
蒸发冷却（相变冷却）	5000

在散热与冷却技术权衡中应该考虑的典型因素有：热阻、重量、维护要求或维修性、可靠性（包括辅助设备，如风机和泵）、费用、制造容差、后勤状况（特殊的元器件和冷却剂）、热效能、效率或有效系数、耐环境及严酷度（冲击、振动、腐蚀）、对人体的危害程度（冷却剂或蒸汽的毒性）、尺寸、复杂性、功耗及对设备电性能的影响。
需要指出的是：一个冷却方案不限于一种冷却方式，大多数方案都是根据具体情况，包含几种冷却方式，相互配合使用。

综上，随着集成电路技术飞速发展，电子元件的集成密度和热量密度都会不断增大，它们的散热问题变得日益突出。因此，良好的散热或冷却方法是这些电子元器件发挥良好性能的有力保障。著名美国物理学家Richard P.Feynman曾于1959年12月29日在加州理工学院举行的美国物理协会的年度会议上发表了题为“There’s Plenty of Room at the Bottom”的演讲，敏锐地预言设备和系统的微小型化将在今后科学技术发展中占有非常广阔的发展空间和重要意义。当前MEMS加工技术发展非常迅猛，发展新的散热或冷却方式势在必行。国内外学者正研究和开发微型的换热器和微型制冷系统，这也给微电子技术进一步提供了契机，同时这也为现代传热学的发展注入了新的活力。

参考文献（略）

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