电子设备散热技术探讨

　　引言

　　随着电子技术的飞速发展,大功率、高功率密度器件被大量研制和应用。电子设备在功率增加的同时，其热耗也在增加,有些电子器件工作时的表面热流密度已达数十瓦每平方厘米。大量的热耗如果不能及时散发出去,将极大地影响电子设备的可靠性。据统计，在导致电子设备失效的因素中，温度占55%(其余因素为灰尘6%,湿度19%,振动20%)1。电子设备的运行实践表明：随温度的增加，电子元器件的失效率呈指数增长,对于有些电子器件,环境温度每升高10°C,失效率甚至会增大一倍以上1,这在不同程度上降低了设备的可靠性。此外，由于设计理念的转变，电子器件的封装度不断提高，小型化、模块化成为电子设备的发展趋势,这就对电子设备的热设计提出了更高的要求,科学、有效的冷却系统设计就显得尤为重要。

　　1冷却方式及冷却介质的选择

　　1.1冷却方式的选择

　　常用的冷却方式主要有自然风冷、强迫风冷和强迫液冷三大类。自然风冷是最理想的冷却方式,无需其他辅助设备，但其冷却能力较低，适合热流密度在0.04W/以下的电子元器件的冷却。强迫风冷的冷却系统结构简单、紧凑,成本低,设备量少,但受外形尺寸及重量的限制，所提供的风量有限,适合热流密度较低的场合。一般情况下,在热流密度小于0.4W/cm2时,可采用强迫风冷。液体冷却系统相对复杂,设备量大,成本高,但其承受的热流密度大,散热效率高,热负载温度梯度小,适合热流密度较高的场合。冷却方式的选择见图1。

　　1.2冷却介质的选择

　　风冷电子设备的冷却介质是空气,根据电子设备的要求,有时需要对空气进行除尘、除湿等处理。液冷电子设备冷却介质的选择,需要综合考虑以下几个方面：

　　1)冷却介质的热特性参数，包括导热系数、比热容等；

　　2)冷却介质的物理特性,包括适当的沸点和冰点及是否易燃、有毒等；

　　3)冷却介质的相容性,要考虑冷却介质对散热器是否有腐蚀作用，与密封圈的橡胶种类是否相容等；

　　4)要求冷却介质成本低,适合长期使用；

　　5)如果在高压下使用，还需要考虑冷却介质的一些电气特性。

　　水和乙二醇水溶液都是较为常用的冷却介质，也有一些电子设备是用油作为冷却液的。从散热角度考虑,水是最理想的冷却介质，其比热容大，导热系数高,且价格低廉。但水的冰点较高，不适合在低温环境下（如冬季室外或高空中）对电子设备进行冷却。军用电子设备,特别是机载电子设备对环境要求苛刻，国内一般都以浓度为65%的乙二醇水溶液作为冷却介质,其特点是冰点低、热容大。水和65#冷却液的性能比较见表1。

　　2冷却系统设计

　　2.1冷却系统的设计原则及准备

    2.1.1设计原则

　　冷却系统设计的目的就是在热源至最终散热环境之间提供一条可以把热量迅速传递出去的低热阻通道，以满足电子设备散热可靠性的要求。在进行冷却系统设计时,一般要考虑如下几个方面:

　　1)冷却系统具有充裕的冷却能力，以保证电子元器件能够在规定的环境（尤其是高温环境）中正常工作；

　　2)冷却系统具有高的可靠性；

　　3)冷却系统具有良好的维修性,操作、维护方便；

　　4)冷却系统具有较高的性价比。

　　2.1.2设计准备

　　在进行电子设备冷却系统设计前，要首先明确以下几点：

　　1)确定电子设备的工作环境。要确定电子设备的工作环境是室内还是室外,是地基还是空载。如果是空载,还要确定是舱内还是舱外及载机的高度。根据这些环境条件,估算出电子设备工作的环境极限温度。

　　2)计算电子设备的热耗及热流密度。通过功率、效率计算,估算出电子设备的热耗,结合电子设备的体积、散热面积计算出电子设备工作时的热流密度。

　　3)确定冷却方式。根据电子设备的热流密度,确定电子设备的冷却方式并选择合适的冷却介质，同时还要确定电子设备的载体（如战斗机）是否能提供所需要的冷却介质。

　　4)确定冷却介质的流量。根据电子设备的热耗及确定的冷却介质，可根据以下两个公式计算出所需要的冷却介质的流量（质量流量和体积流量）：

　　式中:qm为冷却介质的质量流量；Q为模块的耗散功率;cp为冷却介质比热容;At为冷却介质的温升;qv为冷却介质的体积流量;p为冷却介质的密度。

　　对于风冷电子设备，流量常用质量流量表示（单位:kg/s),其温升At由电子设备的允许工作温度和冷却介质的温度决定,一般有数十摄氏度;对于液冷电子设备,流量常用体积流量表示（单位:m3/s),其温升At-般取5°C~8°C。

　　2.2风冷系统设计

　　采用自然风冷时,如果电子器件的热流量较小,靠空气对流换热带走热量即可;如果热流量稍大，可以增加散热器,散热器传导散热与空气对流散热相结合。

　　当电子器件热流密度大于0.04W/cm2时，用自然冷却方法就不能有效地将热量带走，这时必须采用强迫风冷。从冷却方式上分，强迫风冷有直接风冷和间接风冷两种形式。直接风冷就是冷却风直接吹到电子器件上,散热效果较好，对于一些形状不规则，体积较大，不易于间接风冷的电子器件（如变压器），可采用直接风冷；间接风冷是把电子器件贴到冷板或散热器上,冷却风通过冷板或散热器带走电子器件的热量。

　　从风的动力来源上分,强迫风冷又可分为吹风和排风两种形式。吹风冷却需要在设备进风口接风机,占用空间较大,且振动、噪声也较大,但可以提供充足风量，冷却效果比较好。对于机载设备,有时可利用压缩空气代替风机进行冷却散热。如果电子设备的安装空间狭小且无压缩空气源，可考虑采用轴流风扇排风散热,轴流风扇一般要靠近设备的出风口位置。我们常见的计算机CPU就是采用“散热器+轴流风扇”的散热模式，计算机的电源一般也采用轴流风扇排风散热。

　　风冷电子设备冷却系统承受的压力一般比较小(<10kPa),且少量的风泄露不会对电子设备造成污染,故风冷系统对密封性要求不高。由于风冷电子设备的温度梯度较大,在条件允许的情况下,增加风的流量一般都可以取得比较好的散热效果。

　　1.3液冷系统的设计

　　按照电子器件与冷却液是否接触,液体冷却可分为直接液体冷却和间接强迫液体冷却。直接液体冷却就是把需要冷却的电子器件直接浸泡在冷却液中，自然传导散热。它对电子器件和冷却液的要求都比较苛刻,应用较少。

　　间接强迫液体冷却就是把电子器件安装或紧贴到冷板上,冷却液从冷板中流过带走电子器件的热量。间接强迫液体冷却一般结构比较复杂，且需要能够提供一定温度和流量的液冷源设备，但它提高了电子设备的可维修性，同时也降低了对电子器件和冷却液的要求。大部分液冷电子器件采用的都是间接强迫液体冷却。在进行间接强迫液冷设计时要注意以下几点：

　　1)液冷系统承受的压力一般都比较大（30kPa~1000kPa),冷却液一旦泄露,就有可能引起电子器件的短路,导致整个电子设备的损坏,故设计强迫冷却系统时一定要进行严格的压力试验,以确保冷却系统的可靠性。

　　2)有的电子设备可能不同部位的多个电子器件都需要冷却，这时冷却系统还要具有分流、集流装置,在设计时要确保各个流路的冷却液流量与其要冷却的电子器件的热耗相匹配，见图2。

　　3)电子设备与液冷源的接口，要尽量采用双向自密封接头,如图3所示。这种接头插拔方便且能避免冷却液泄露。目前生产这类自密封快卸接头的主要是国外的-些公司，如法国的STAUBLI公司、意大利的Stuc-chi公司、瑞典的TEMA公司及德国的ParKer公司等。

　　4)为了提高冷板的散热效果,冷板应选用导热系数高的材料（如铜或铝）制作，冷板表面应尽量平整、光滑。为了保证电子器件与冷板紧密接触，电子器件与冷板间应有足够的压紧力，并根据需要填加导热硅胶或导热垫（现有一些相变材料的导热垫，可在部分场合代替导热硅胶）。填加的导热胶或导热垫的厚度应尽量薄，以免增加额外的热阻。

　　5)间接液冷系统电子设备的温度梯度较小,在冷却液流量达到某个值后,再盲目地增加冷却液流量并不能达到很好的散热效果。如果需要进一步改善冷却效果,就需要对冷板的结构进行改进,或降低冷却液的温度。

　　6)液冷系统的流阻要尽量小，一般不应超过1MPa。为了降低系统的流阻,液冷通道要尽量短，通流面积要尽量大,流路上要避免急剧的转弯、扩张或收缩以免局部压力损失过大。

　　7)对于热耗较大、对温度比较敏感的电子器件应尽量布在冷却液的入口位置。

　　8)液冷系统中要有温度、流量、压力等监控系统，见图2。

　　3仿真、试验

　　计算机仿真是冷却系统设计不可或缺的一个手段，现在常用的设计软件有ICEPAK,FLUENTFLO-THERM,CFdesign等,这些热设计软件极大地提高了热设计的效率，降低了设计成本,特别是对于一些新型散热器或复杂冷却系统的设计,其设计效果尤为明显。图4是某间接强迫液冷系统的仿真结果，从图中可以看出,在冷板内部加设翅片后,冷却效果有了很大的改善。此外,还可以改进翅片的材料、形状等以进一步改善散热效果,但如果翅片结构过于复杂,冷板的流阻也会随之上升。

　　试验是检验冷却系统冷却效果的必要环节。通过前期的计算、仿真、设计,做出实物样机后,必须通过严格的试验检验冷却系统的各项指标（包括流阻、密封性、温升等）是否满足设计要求。

　　4结束语

　　热设计是提高电子设备可靠性的必要手段，我国1992年7月颁布了国家军用标准GJB/Z2742《电子设备可靠性热设计手册》是进行热设计的基本依据。本文主要介绍风冷和液冷技术在电子设备散热方面的应用及设计时需要注意的问题。风冷和液冷技术现在应用得比较多,也比较成熟,所需要进一步研究的是开发出导热系数更高的材料,设计出散热效果更好的散热器。钻石的导热系数达到了2300W/m?K,但由于其资源的稀缺性,不可能被广泛采用；一些纳米材料也具有极高的导热系数,如单壁纳米管和多壁纳米管在常温下的导热系数已达到3000W/m?K以上，如果这些材料能得到普及应用，将对电子设备的散热技术产生革命性的影响。

　　                                                            吕洪涛

　　                                            (中航雷达与电子设备研究所，江苏无锡214063)