引言
目前,電子元器件正朝著小型化?高集成度和高效率的方向發(fā)展,有效地提高了電子設(shè)備的性能,并且電子設(shè)備的尺寸也朝著小型化的方向發(fā)展?這使得電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)更加困難?電子設(shè)備由多個(gè)單元模塊組成,設(shè)備通電工作時(shí),這些電子組件會(huì)產(chǎn)生大量熱量,并且設(shè)備內(nèi)部的溫度會(huì)迅速升高?如果熱量不能及時(shí)傳導(dǎo)散發(fā)出去,這將嚴(yán)重影響設(shè)備正常工作,甚至損壞?因此,散熱設(shè)計(jì)是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要的部分?不完全的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,每10度的環(huán)境組件溫度會(huì)將組件的可靠性降低一半,溫度升高對(duì)電子組件性能的影響非常大?因此,為了有效地保證電子部件的安全可靠運(yùn)行并確保其使用壽命,必須提高散熱設(shè)計(jì)水平,以實(shí)現(xiàn)良好的散熱?
一?熱設(shè)計(jì)的一般原則
(一) 熱量傳遞的方式
通常情況下,有三種傳導(dǎo)熱量的形式:傳導(dǎo),對(duì)流及輻射?當(dāng)兩個(gè)磁場(chǎng)彼此接觸時(shí),熱量在直接接觸的磁場(chǎng)間傳遞?對(duì)流是指圍繞冷卻對(duì)象的流體介質(zhì),其中熱量通過(guò)該類介質(zhì)傳遞?對(duì)流可分成自然對(duì)流及強(qiáng)制對(duì)流?當(dāng)磁場(chǎng)的環(huán)境溫度增高時(shí),內(nèi)部能量能通過(guò)電磁場(chǎng)輻射到外部,輻射的能量能撞擊另一個(gè)磁場(chǎng),而且一部分能量能被該類磁場(chǎng)吸收轉(zhuǎn)化為熱量?
(二) 散熱方式的選擇
由于電子設(shè)備具有多個(gè)電子部件,所以設(shè)備的結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜,電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的內(nèi)部傳熱方式有多種,并且在很多情況下,多種并存?因此,有必要根據(jù)電子元件的參數(shù)和工作環(huán)境來(lái)選擇散熱方法?在潮濕環(huán)境中使用的電子組件需要采用封閉式設(shè)計(jì)來(lái)散熱?對(duì)于不需要封閉式設(shè)計(jì)的電子設(shè)備,選擇自然散熱作為散熱方法,但是對(duì)于產(chǎn)生大量熱量的設(shè)備,有必要促進(jìn)散熱或使用強(qiáng)制空氣冷卻來(lái)散熱?
(三) 元器件布局
元器件是電子設(shè)備的重要組成部分,設(shè)備內(nèi)部組件的布局直接影響電子設(shè)備的散熱效果?為了使設(shè)備工作時(shí)的溫度區(qū)域合理化,有必要在熱設(shè)計(jì)過(guò)程中充分了解設(shè)備熱源的加熱條件和組件的參數(shù)?發(fā)熱組件布局所采用的基本原則是:首先,將發(fā)熱的組件放置在腔體的頂部或排氣口附近;其次,必須分散發(fā)熱組件以實(shí)現(xiàn)溫度均勻性?同時(shí),應(yīng)使一些熱敏組件遠(yuǎn)離應(yīng)使用的發(fā)熱組件或絕緣材料?
(四) 結(jié)構(gòu)材料的選擇
電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的材料應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)高的材料,最常用的材料是鋁合金和紫銅?
(五) 導(dǎo)熱接觸面要求
為了提高散熱效率,導(dǎo)熱接觸面盡可能大,平面度和粗糙度盡可能好,并牢固地粘附接觸面,可使用導(dǎo)熱酯和導(dǎo)熱墊以降低接觸電阻?
二?熱設(shè)計(jì)主要技術(shù)
(一) 空氣自然對(duì)流冷卻
該技術(shù)利用設(shè)備外殼作為散熱器,將發(fā)熱器件固定在外殼上,直接將熱量傳遞到空氣中?自然散熱比較適合小功率發(fā)熱器件?
(二) 空氣強(qiáng)迫對(duì)流冷卻
該技術(shù)不僅設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,而且使用起來(lái)方便又經(jīng)濟(jì),其用途更加廣泛?然而,由于空氣的比熱容低,在該技術(shù)的噪聲限制下風(fēng)速不是很高?但是,由于強(qiáng)制風(fēng)冷具有許多優(yōu)點(diǎn),因此尚未中止對(duì)該技術(shù)的研究以提高其冷卻能力,并且我們正在進(jìn)行突破性嘗試,以進(jìn)一步提高該技術(shù)的冷卻能力?
(三) 強(qiáng)迫氣體或強(qiáng)迫液體冷卻方法
使用強(qiáng)制氣體和強(qiáng)制液體控制熱點(diǎn)的溫度,其中最常用的散熱裝置就是冷板?
(四) 液體冷卻
由于其高效率和緊湊性,它被廣泛用于冷卻具有高熱流動(dòng)性的電子單元,并且已經(jīng)成為熱設(shè)計(jì)研究的焦點(diǎn)?液體冷卻可以是單相或兩相的,主要包括直接或間接冷卻?
(五) 相變冷卻技術(shù)
這種技術(shù)利用相變材料的相變過(guò)程來(lái)降低溫度,不僅具有較高的熱交換效率,而且具有相對(duì)均勻的溫度分布和非常好的可靠性?
(六) 熱電制冷
它的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)噪音和無(wú)振動(dòng),結(jié)構(gòu)小巧,操作和維護(hù)方便,不需要制冷劑,可通過(guò)改變電流來(lái)調(diào)節(jié)冷卻能力和冷卻速度?廣泛用于具有恒定溫度和功率密度的系統(tǒng),它還可用于冷卻低溫超導(dǎo)電子設(shè)?
(七) 熱管技術(shù)
熱管散熱已成為一種非常熱門的新型散熱技術(shù)?液體在毛細(xì)管被熱流加熱蒸發(fā),在冷凝段蒸汽被管外冷流體冷卻放出潛熱,凝結(jié)為液體?積聚在冷凝部分的芯子中的冷凝物利用芯子的毛細(xì)作用力返回到汽化部分,吸收熱量并蒸發(fā)?熱管具有高的傳熱能力,優(yōu)異的溫度均勻性,改變熱流密度的能力以及出色的穩(wěn)定性,可以制成小型輕量化的產(chǎn)品?
(八) 微通道技術(shù)
在各向異性硅晶片或者基片上,各向異性蝕刻用作打造尺度通道,當(dāng)液體流過(guò)情景通道時(shí)候,液體能加熱或者直接吸取熱能?此時(shí),液體處于非常不平衡的狀態(tài),并且傳熱能量很大?另外,實(shí)驗(yàn)表明,即使當(dāng)冷卻液?jiǎn)蜗嗔鬟^(guò)微通道時(shí),其冷卻效果也遠(yuǎn)優(yōu)于使用液體沸騰進(jìn)行冷卻?
三、結(jié)束語(yǔ)
我國(guó)頒布了電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),為設(shè)計(jì)中的熱設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)?近年來(lái),進(jìn)行了與熱設(shè)計(jì)技術(shù)有關(guān)的持續(xù)研究,在不斷開發(fā)幾種具有高導(dǎo)熱率的材料的同時(shí),這些材料的廣泛采用將大大改善當(dāng)前電子設(shè)備的散熱技術(shù)?
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