现代电子器件的冷却

现代电子器件的冷却主要内容一、笔记本cpu的冷却二、电力电子器件的冷却三、电子元件的散热设计电子器件的定义与分类•电子器件指在工厂生产加工时改变了分子结构的成品。例如晶体管、电子管、集成电路等。因为它本身能产生电子，对电压、电流有控制变换作用（如放大、开关、整流、检波、振荡和调制等），所以又称有源器件。可归纳为真空电子器件和半导体器件。一、笔记本电脑CPU的冷却•随着笔记本电脑性能的提高，其所采用的部件运行频率越来越高，相应所产生的热量也越来越大，使得系统稳定性大受影响。现在竞争的战火已经燃烧到了笔记本电脑相关的各个领域，厂商们为了在竞争中胜出，都提高了笔记本电脑的技术含量，尤其是在散热方面的技术，真所谓“八仙过海，各显神通”。下面，我们就来看看笔记本电脑CPU的散热技术。造成CPU发热的原因•CPU工作频率的提高是造成发热的原因之一。任何电子元件在工作过程中，都会有电能转换成为热能的情况发生。CPU是一个电子元件，它消耗的电能最后都会转换成为热能的形式。CPU消耗的电能等于CPU散发出来的热能。也就是说，CPU频率越高，消耗功率越高，发热量也越大。•CPU内部高速运行的电子在线路中造成摩擦，产生大量的热能。CPU工作频率越高，这种摩擦也就越大，产生的热量也就越多。•笔记本电脑CPU的冷却已有相当一部分采用微型热管解决，一般微型热管的直径为3mm左右，它与现有的风扇加热沉结构相比有明显的优点。针对电子冷却的特定要求，现已开发了重力辅助热管、柔性回路热管、平板型电子冷却热管和微型空气对空气换热管等多种微型管。直接埋入芯片硅衬底中的微型热管已经开发，可代替在集成电路中起导热作用的金刚石膜。•微热管是随着微电子技术的发展而发展起来的一门新兴技术。随着电子元件集成密度的增加，其产生热量的散逸变得困难。电子元件除了对最高温度有要求外，对温度的均匀性也提出了要求。作为一项很有发展前景的技术，微型热管正是应用于电子元件中，以提高热量的导出率和温度的均匀化。由于其尺寸小，可减小流动系统中的无效体积，降低能耗和试剂用量，而且响应快，因此有着广阔的应用前景。例如，流体的微量配给、药物的微量注射、微集成电路的冷却及微小卫星的推进等。CPU散热帮手—散热板•这是一种基本的散热方法。一般来说，散热板面积越大，传导效率越高，就越能有效散发热量。比较常见的情况是在主机板的底部和上部各配一块金属散热板；在CPU的位置，有协助散热的系统，以释放CPU产生的热量。另外，和散热板结合使用的一种十分普遍的技术，是在键盘的下方放一块尺寸与和键盘基本相同的薄散热铝板，在铝板上附有一根高导热率的铜导管，它可以将笔记本电脑内部主要发热区域的热量均匀散布到整个铝板上，并通过散热孔将热量散布到电脑外。•晶体管的制工艺也是造成CPU发热的原因。CPU内部核心由硅晶体管组成，硅晶体管的栅极氧化物绝缘层制作得越薄，晶体管开关状态转换速度越快，但是电流泄漏也越厉害。栅极氧化物绝缘层电流泄漏产生的能耗，已经成为目前CPU能耗的最大来源之一。•英特尔公司公司研制一种称为“高K栅极绝缘体”的材料，这种新型晶体管的栅极电流泄漏会大幅减少，且从原极到漏极的电流泄漏也很低。由于这种晶体管泄漏电流的减少，CPU能耗就可以大幅度降低，相应的CPU发热量也就大大减少，CPU芯片中晶体管的运行速度也将大幅度提高。二、电力电子器件的冷却电力电子器件（PowerElectronicDevice）又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)电子器件。又称功率电子器件。20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。电子器件的核心是PN结，而PN结的性能与温度密切相关。为了保证器件正常工作，必须规定最高允许结温。所谓最高允许结温是指器件能正常工作的PN结最高温度。而通常结温是指芯片的平均温度。实际上功率器件芯片较大，温度分布不均匀。当器件因过载、浪涌以及结构方面的问题而造成芯片瞬时过热时，某个局部可能形成比最高允许结温高得多的热点，严重时会导致局部热击穿。考虑到上述因素，在可靠性要求不同的设备中，器件的最高允许结温也不同，这就要“结温减额”使用。可靠性要求越高，最高允许工作结温就越低。例如，对于高可靠性商业设备，硅功率二极管最高工作结温在135~150℃。对于军用设备在125~135℃，而对宇航及超高可靠性设备在105℃。电力电子器件工作于开关状态，效率很高。但电力电子器件并非理想器件。导通时，器件上有电压降；阻断时，器件流过一定的漏电流，因此有通态损耗和断态损耗。另外器件从阻断状态到导通状态，或者从导通状态到阻断状态的过程都并非瞬时完成。因此有导通损耗和关断损耗。这些损耗使芯片产生内部功率损耗即内损耗。内损耗引起芯片温度升高，而芯片温度高低除与器件内损耗大小有关外还与芯片到外界环境的传热结构、材料和器件冷却方式以及环境温度等有关。器件的芯片温度无论在稳态还是在瞬态都不允许超过器件的最高允许结温，否则，将会引起器件电的或热的不稳定而导致器件失效。因此设法减小器件的内部损耗、改善传热条件，对保证器件长期可靠运行有极其重要的作用。电力电子装置正向着功能越来越完善而体积越来越小的方向发展，在电力电子装置内部产生的高热流密度对装置的可靠性造成极大威胁。对电力电子装置失效原因的统计表明，由于高温导致的失效在所有电子设备失效中所占的比例大于50％，传热问题甚至成为电力电子装置向小型化方向发展的瓶颈。因此电子器件的热可靠性设计在电子器件发展中具有举足轻重的作用。电力电子器件工作时，会因功率损耗引起器件发热、升温。器件温度过高将缩短寿命，甚至烧毁，这是限制电力电子器件电流、电压容量的主要原因。为此，必须考虑器件的冷却问题。常用冷却方式有自冷式、风冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸发冷却式等。电力电子器件的散热技术电力电子器件通以电流后，要消耗大量的功率，这部分耗散功率变成热量会使管芯发热、结温升高。虽然管芯发热后，可以通过周围环境散热，但如果温度过高而不能保证在短时间内散失掉的话，往往可能导致电力电子器件特性发生变化甚至导致器件发生击穿而损坏，进而影响电力电子线路的正常工作，所以在有些线路当中电力电子器件都需要进行必要的散热保护，例如配置散热器等。电力电子器件及散热机理•电力电子器件由于耗散功率产生的热量，使管芯温度升高，并通过管壳、散热器向外散热，通常散热是通过热传导、对流、辐射三个途径。•1、热传导•热量的传递是在物体的内部或紧密接触的两物体间分子热运动所形成的碰撞来完成的，物体内部（或两物体间）温度较高处其分子运动的速度较快，具有的动能也较高，当它们与邻近温度较低处运动速度较慢、动能也较低的分子相撞时，就会将一部分热能由温度较高处传给温度较低处，此种传热过程称为热传导和导热。2、热对流当流体沿固体表面流动时，在紧靠表面的一薄层内，流体总是顺着表面一层一层地流动，这一薄层称为层流底层。热量通过层流底层时，由于在垂直于表面的方向上只有流体分子的热运动，所以通过层流底层的传热过程主要是流体的热传导过程。而在层流底层以外的湍流层，由于漩涡作用，使在具有不同温度的流体微团之间，不断地发生相对流动，热量主要就是靠这种相对流动来传递，称为对流。这种既包括热传导又包括对流的综合传热过程，称为对流换热，简称放热。3、热辐射热辐射是在两物体没有接触的情况下发生的，任何物体由于原子内部电子的运动和原子之间的振动，必然会引起周围电磁波的交替变化，因此就有一部分能量(热能)要转换成为电磁能，而被交变电磁场——电磁波传播出去，当电磁波射到另一物体表面时会有一部分电磁波重新转换成热能而被这物体吸收，这种热的传递方式就称为热辐射。常用的散热方式散热器是以对流和辐射的方式将热量传送到环境中去。常用的散热方式有自冷、风冷、水冷和沸腾冷却4种。1．自然风冷通过空气自然对流及辐射作用将热量带走，散热器周围空气因受热引起温度升高，密度变小而产生浮升力使空气向上流动，由于自然对流时气流的速度较低，所以传热的强度也不大。这种方式散热器的优点是不需专用风道、结构简单、维护方便、无噪声；但缺点是散热效率低，故只能用在小功率的装置上。•2．强迫风冷采用风机强迫空气以一定速度流过散热器，采用了强迫通风、加强对流的散热方式，一般为自冷散热效率的2—4倍，噪声大。3．强迫水冷在水冷散热器中，通过一定流量的水，将热量带走,它的优点是散热效率高，噪音低；缺点是需要水处理和循环设备，其易产生结露、漏水、电腐蚀。多用在化工、电解、电冶炼等大功率装置上。4．沸腾冷却沸腾冷却是将冷却介质放在密闭容器中，通过媒质物相的变化进行冷却，效率极高，且装置体积小，但造价昂贵。这几种散热方式各有各的优缺点，在使用中要根据电力电子设备的整体结构、技术水平、使用环境和经济指标等统一考虑，也可把几种冷却方式结合起来使用。三、电子元件的散热设计随着电子产品组装技术的发展，功率元件的应用越来越多，再加上半导体制造技术的发展，将更多的晶体管整合在单一芯片内，大电流、高速度、高功率密度、导致电子元件整体功率消耗及热量增加，电子元件内部的温度已超100℃。这就大大地增加了电子设备的故障率。因此，在电子装置逐日增高的热流密度（在单位时间中设备表面积吸收的热量），给电子产品的设计人员，提出了挑战----产品设计阶段面临“热源”所导致的电子系统设备的整机可靠性有不可分割的关系，高可靠电子产品的散热设计受到空前的重视。电子元件散热设计已成为必要的技术！电子产品的热设计包括：线路设计、元件散热、电路板散热设计、整机通风与散热设计。电子产品中使用的电子元件的工作寿命与工作温度有最直接的关系，从一般意义上来说，功率元件选择不当或电子元器件的散热设计不良，是导致电子设备发生故障，乃至永久失效的重要原因之一。从理论上来说，功率元件的热应力源是由于元件内电流运动所产生的，但不能排除外部环境条件的影响。由于电子在运动时所耗散的功率导致发热，这些热能必须通过过传导的方式把热散发到环境中去。如果所使用的功率元件的热传导能力受到限制，热能传导不出去，就会造成元件芯片的结温升高，散热不良会导致半导体器件管芯结温超过允许的温度，器件内的热保护就会做出响应，在保护过程中器件就不能正常工作。当功率元件的功率耗散达到一定程度时，元件的结温温度陡升，器件发热严重，若不能及时传递这些热量，就会造成电子产品可靠性降低，甚至导致器件永久性失效（损坏）。因此，正确、合理的进行热设计是十分必要的。电子元件的散热设计中，功率元件的散热能力都是用热阻来表示，而热阻越大，散热能力就越差。热阻又分为内热阻和外热阻,内热阻是元件自身固有的热阻与机构外壳所使用的材料导热性、厚度和截面积，甚至是与加工工艺制程技术有关。一般来说，机构外壳所使用的面积越大，则外热阻越小，金属外壳的外热阻就明显低于塑封管壳的外热阻。而为了提电子器件的可靠度，必须针对功率元件进行散热系统的设计。各种功率元件的内热阻不同，安装散热器时由于接触面和安装力矩的不同，会导致功率元件与散热器之间的接触热阻不同。选择散热器的主要依据是散热器热阻，在不同的环境条件下，功率元件的散热情况也不同；选择适合的散热器除了考虑环境因素之外，还必须降低散热器表面的粗糙度。功率元件使用散热器是为了降低功率元件的温度，尤其是结温，使其低于功率元件。确保功率电子元件在安全结温下正常工作，从而提高功率元件的可靠性。而功率元件散热器随着功率元件的发展，也获得了快速发展，使得一般常见的散热元件已经有了标准化、系列化、通用化的发展态势，而新产品则向低热阻、多