電子器件冷卻技術(shù)

1、第27卷第3期2005年8月低溫物理學(xué)報(bào)CHINESEJOURNALOFLOWTEMPERATUREPHYSICSVol.27,No.3Aug.,2005電子器件冷卻技術(shù)陳登科中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所,安徽萬(wàn)瑞冷電科技有限公司,合肥230043文章討論了電子冷卻的對(duì)象和冷卻方法;論述了微通道冷卻、新型熱管、熱噴射、集成熱路等新的冷卻方法;介紹了介觀制冷器、熱電子發(fā)射制冷開(kāi)發(fā)中的冷卻/制冷技術(shù).關(guān)鍵詞:電子,冷卻PACC:71201關(guān)于電子冷卻技術(shù)冷卻技術(shù)涉及到許多領(lǐng)域.在電子領(lǐng)域,冷卻技術(shù)也已滲透到方方面面,從電子技術(shù)一產(chǎn)生就有了冷卻問(wèn)題.電子技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn),冷卻技術(shù)也伴隨著它,始終

2、起著基礎(chǔ)的和保障的作用.1.1電子冷卻的必要性對(duì)電子領(lǐng)域的冷卻主要有以下原因:帶走器件的發(fā)熱:電子器件對(duì)信息(這里“信息”可以是電流、電磁振蕩、聲、光等任何形式)的處理過(guò)程實(shí)質(zhì)上是能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程.這總會(huì)伴隨著發(fā)熱,發(fā)熱的根源是任何能量轉(zhuǎn)化過(guò)程都不可能是100%的效率,不足100%部分的能量全部或大多數(shù)變成了熱量,這部分熱量不能讓它累積在電子器件中,必須散發(fā)出去.電子器件向更小、更高速、更大功率密度方向發(fā)展,這些都意味著更大的熱流密度,冷卻越來(lái)越重要了.典型的例子如:三極管、功率器件、真空電子器件、IC、激光器等.圖1示意的電子器件A把能量或帶有能量的信號(hào)X1,Y1,.處理成能量或帶有能量的信號(hào)

3、X2,Y2,.;Q是散發(fā)出的熱量;從能量的角度看,應(yīng)滿(mǎn)足以下關(guān)系EX1+EY1+=EX2+EY2+Q(1)應(yīng)該指出,Q永遠(yuǎn)大于0,即永遠(yuǎn)有熱量需要散發(fā).降低器件的溫度以提高與溫度有關(guān)的器件性能.電子器件的工作溫度往往對(duì)它的性能有很大影響,熱噪聲或暗電流是最明顯的一個(gè)受溫度影響的性能,例如在傳感器件、紅外探測(cè)器及各種光子探測(cè)器、放大器件、LNA等,高速數(shù)字器件中的情形就是這收稿日期:2004210215圖1電子器件中信號(hào)與能量的關(guān)系© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.256低溫

4、物理學(xué)報(bào)27卷樣等.降溫對(duì)電子器件起了一個(gè)熱噪聲抑制或隔斷的作用.根據(jù)子冷卻的溫度和方法的不同,可以把它分成下表中幾類(lèi):冷卻方法名稱(chēng)含義散熱把被冷卻對(duì)象內(nèi)部的發(fā)熱傳遞到表面,進(jìn)而傳遞到熱沉、散發(fā)到外界.不需加入能量,冷卻的動(dòng)力來(lái)自被冷卻對(duì)象與熱沉的溫差.電子整機(jī)或系統(tǒng)電子器件、組件或模塊.雷達(dá)、通訊系統(tǒng)各種電子機(jī)箱、各種功率器件或功率模塊制冷把被冷卻對(duì)象的溫度降到比熱沉或環(huán)境溫度低的溫度.必須要加入能量才能進(jìn)行電子整機(jī)或系統(tǒng)電子器件、組件或模塊雷達(dá)、通訊系統(tǒng)、各種電子機(jī)箱、各種功率器件及模塊,微電子器件如IC或DSP、光電子器件、真空電子器件熱電制冷器(半導(dǎo)體制冷器)蒸汽壓縮制冷機(jī)氣體制冷機(jī)吸

5、收式和吸附式制冷熱電子發(fā)射制冷器低溫制冷把被冷卻對(duì)象的溫度降到熱沉或環(huán)境溫度低得多的溫度.一般指120K以下的溫度.必須要加入較大的能量才能進(jìn)行電子器件紅外器件、LNA、超導(dǎo)器件特點(diǎn)冷卻對(duì)象冷卻對(duì)象舉例氣體低溫制冷機(jī)如斯特林制冷機(jī)、GM制冷機(jī)、脈管制冷機(jī)、節(jié)流制冷器采用低溫液體或固體(如LN2LHe等)蒸發(fā)進(jìn)行制冷輻射制冷器(如太空用輻射制冷器蒸汽壓縮低溫制冷機(jī)固體制冷器如(絕熱去磁制冷器,光學(xué)制冷器)冷卻方法自然對(duì)流散熱器機(jī)箱散熱強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)扇;冷卻液體循環(huán)傳導(dǎo)導(dǎo)熱固體,導(dǎo)熱液體、熱管.輻射被冷卻對(duì)象表面采用高發(fā)射率材料,向外輻射散熱.在實(shí)際中往往是以上幾種方法組合使用.© 1995

6、-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.3期陳登科:電子器件冷卻技術(shù)2572新概念冷卻技術(shù)熱量傳遞只有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種手段,在絕大多數(shù)散熱結(jié)構(gòu)中不是只用一種傳熱手段,而是三種或兩種手段組合使用.現(xiàn)有散熱方法已比較成熟,為散熱而設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品非常多,典型的有:各種熱沉散熱器);各種使傳熱介質(zhì)擾動(dòng)起來(lái)以產(chǎn)生對(duì)流的擾動(dòng)源如風(fēng)扇、泵;各種導(dǎo)熱固體或液體等等.對(duì)這些產(chǎn)品的合理選用和搭配技術(shù)及對(duì)被冷卻對(duì)象的熱設(shè)計(jì)手段已較完善,然而,電子技術(shù)發(fā)展不斷為散熱提供新要求,這些要求主要有:要求冷卻產(chǎn)品體積重量更小,以

7、便適應(yīng)電子整機(jī)或器件體積重量越來(lái)越小的趨勢(shì);要求冷卻產(chǎn)品更高效,傳熱更快、傳遞溫差更小,小的散熱產(chǎn)品能帶走更多的熱量;要求冷卻產(chǎn)品使用更方便,包括安裝方便、使用方便、使用能耗小、對(duì)被冷卻對(duì)象的適應(yīng)性好(不產(chǎn)生干擾等)等等.為此,產(chǎn)生了一批適應(yīng)新的冷卻要求的冷卻技術(shù),現(xiàn)論述如下:圖2電子冷卻的能量關(guān)系.(a)散熱方式Ta>TcQc=Ein-Eout;(b)制冷方式Ta<TcQc=Ein-Eout+ErA2被冷對(duì)象;Ta2被冷卻對(duì)象溫度;B2散熱通道;C2熱沉(或環(huán)境);Tc2熱沉(或環(huán)境)的溫度;Ein、Eout2進(jìn)和出被冷卻對(duì)象的能量;Qc2傳給熱沉(或環(huán)境)的熱量;Er2為實(shí)現(xiàn)制

8、冷所必須加入的能量2.1微通道冷卻技術(shù)微通道換熱器是指在基體上用光刻或其它刻蝕法制成截面尺寸僅有幾十到上百微米的槽道,換熱介質(zhì)在這些小槽道中流過(guò)與換熱器基體并通過(guò)基體與別的換熱介質(zhì)進(jìn)行換熱.換熱器的基體材料可以是金屬、玻璃、硅或其它任何合適的材料.這種換熱器的突出優(yōu)點(diǎn)是:換熱系數(shù)大,換熱效果很好.由于幾何尺寸極小,流體流過(guò)通道時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)與常規(guī)換熱器有很大區(qū)別.雷諾數(shù)一般增大一個(gè)數(shù)量級(jí),因而換熱系數(shù)明顯增大.換熱介質(zhì)與基體之間溫差很小.體積很小,特別適合電子器件的冷卻.© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All r

9、ights reserved.258低溫物理學(xué)報(bào)27卷制造工藝采用電子器件制造工藝,有利于降低成本、批量生產(chǎn).由于換熱介質(zhì)與基體間溫差小,槽道間距離短,所以基體本身的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)總的換熱導(dǎo)數(shù)影響小,所以,基體導(dǎo)熱系數(shù)差一些也影響不大,因此可以選用多種材料作換熱器.圖4是對(duì)半導(dǎo)體激光器陣列采用微通道換熱器冷卻的示意圖.微通道使激光器陳列基體的熱場(chǎng)發(fā)生了很大變化.圖5所示的微通道換熱器散熱能力可m×達(dá)100W/cm2,采用微通道尺寸為50500m=寬×高有些研究者采用單掩膜方法制作成寬×高=(510m)×(810m)的微通道.由于尺寸更小,其性能更佳.試驗(yàn)表明

10、,空冷硅微通道熱沉的熱阻小于1cm2K/W,水冷硅熱沉的熱阻小于0.1cm2K/W,這意味著1cm2芯片上散熱150W/cm2時(shí)水與芯片溫差可維持在15以下.而液氮冷卻硅微通道熱沉的熱阻小于0.05cm2K/W.圖5微通道換熱器外形在單層微通道換熱器趨于成熟的情況下,對(duì)雙層微通道也進(jìn)行了研究,后者有利于減少壓力降,提高芯片溫度均勻性而減少熱應(yīng)力.預(yù)計(jì)20052006年,高速I(mǎi)C的發(fā)熱可能會(huì)達(dá)到200W/cm2,開(kāi)發(fā)能適應(yīng)此功率的微通道散熱器已有了進(jìn)展.2.2噴射換熱器散熱技術(shù)© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. Al

11、l rights reserved.3期陳登科:電子器件冷卻技術(shù)259微噴射換熱是指從許多微孔中噴出換熱介質(zhì)到被冷卻表面,介質(zhì)與表面換熱系數(shù)因強(qiáng)列擾動(dòng)而保持在很高的水平上,在一定條件下,這種冷卻方式的導(dǎo)熱系數(shù)比銅高1000倍.圖6是一個(gè)微噴咀的放大圖,可看出擾動(dòng)的強(qiáng)烈程度.圖6微噴咀換熱器圖7集成熱路2.3集成熱路圖7是一個(gè)由微通道冷凝器、微泵驅(qū)動(dòng)、微噴射蒸發(fā)器組成的一個(gè)閉環(huán)冷卻系統(tǒng),這是種模塊化微機(jī)械硅散熱系統(tǒng),研究者把它稱(chēng)為“集成熱路”對(duì)應(yīng)于集成電路.這種叫法反映了現(xiàn)今從系統(tǒng)上考慮解決IC及其它電子器件的散熱與熱管理問(wèn)題,同時(shí)又從微觀上,從熱的原頭上解決熱問(wèn)題的思路.針對(duì)電力電子器件(例如

12、IGBT)研究的大功率集成熱路,目標(biāo)要達(dá)到散熱流密度600W/cm2.有的研究者理論計(jì)算的散熱能力可達(dá)1kW/cm2.2.4新型熱管傳熱技術(shù)熱管已廣泛用于電子冷卻領(lǐng)域.由于它傳熱溫差小,傳熱量大,不需泵送傳熱介質(zhì),在電力電子器件,航空電子裝置上已成熟使用.筆記本電腦中的CPU冷卻已有相當(dāng)一部分用微型熱管,一般直徑3毫米左右,它與現(xiàn)有的風(fēng)扇加熱沉結(jié)構(gòu)相比有明顯的優(yōu)點(diǎn)(見(jiàn)圖8),針對(duì)電子冷卻的特定要求,已開(kāi)發(fā)了重力附助熱管柔性回路熱管,平板型電子冷卻熱管,微型空氣對(duì)空氣換熱管等多種.直接埋入芯片硅襯底中的微型熱管已經(jīng)出現(xiàn)了,研究者把它稱(chēng)作“熱播撒器”用來(lái)代替在集成電路中起導(dǎo)熱作用的金剛石膜.圖8筆

13、記本電腦用熱管散熱器這種微型熱管的體積已小到熱管中蒸汽和液體界面尺寸跟熱管的水力半徑可比的程度.已開(kāi)發(fā)了這種微型熱管的穩(wěn)態(tài)計(jì)算機(jī)模型以計(jì)算熱管的傳熱量.© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.260低溫物理學(xué)報(bào)27卷3開(kāi)發(fā)中的制冷技術(shù)3.1介觀制冷器圖9所示的是一個(gè)所謂介觀制冷器,它厚度不足3mm但卻包含了普通制冷裝置中的壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、控制器等所有部件,采用蒸汽壓縮制冷循環(huán),這可制成標(biāo)準(zhǔn)制冷模塊,用于對(duì)任何表面式熱源的制冷.圖9介觀制冷器(蒸汽壓縮循環(huán))圖10是

14、采用吸收式制冷原理的制冷器,它也具有普通吸收式制冷器的所有元件.圖11是采用斯特林循環(huán)的介觀制冷器,它包含壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、冷卻器和相應(yīng)的通道.工質(zhì)總是以氣體方式工作,不發(fā)生相變.以上這幾種制冷器的壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、閥等運(yùn)動(dòng)部分都是采用微技術(shù)圖10介觀制冷器(吸收式循環(huán))工藝制造,多數(shù)情況下采用硅材料制成.它們?cè)贛EMS、光電子器件,微電子器件冷卻方面有廣泛的用途.3.2熱電子發(fā)射制冷技術(shù)固體受到加熱內(nèi)部電子的動(dòng)能增大到一定程度時(shí),一部分電子會(huì)克服逸出功而逸出,利用熱電子發(fā)射原理制成的制冷器是全固態(tài)制冷器,甚至可以制成薄膜形式的制冷器.對(duì)膜薄式熱電子發(fā)射制冷機(jī)已進(jìn)行了大量的研究,因?yàn)樗梢灾苯渝冊(cè)?/p>

15、光電子式微電子器件的表面,制造和使用都極圖11介觀制冷器(斯特林循環(huán))為方便.熱電子發(fā)射制冷與熱電制冷(帕爾帖制冷)不同,后者是利用在不同材料組成的回路中© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.3期陳登科:電子器件冷卻技術(shù)261通直流電時(shí)會(huì)在其中接頭處有吸熱和放熱現(xiàn)象的原理制成的.熱電子發(fā)射制冷器效率可達(dá)長(zhǎng)諾效率的60%70%,而傳統(tǒng)制冷方式只有3050%,熱電制冷器只有8%左右.在熱電子發(fā)射制冷器中“,制冷工質(zhì)”是質(zhì)量電子,陰極和陽(yáng)極被真空分開(kāi),當(dāng)施加電壓時(shí),電子從陰極發(fā)射,穿

16、過(guò)真空進(jìn)入陽(yáng)極.在陰極吸熱,在陽(yáng)極放熱(見(jiàn)圖12).熱電子發(fā)射制冷管理與陰極射線(xiàn)管理是一樣的,只是后者須將陰極加熱到很高溫度才能使用電子克服束發(fā)射出來(lái),用的材料是通常功函數(shù)材料.而用作制冷時(shí)必須使用低功函數(shù)材料,使陰極在溫度較低時(shí)也能發(fā)射電子(見(jiàn)圖13).圖12圖134結(jié)論(1)電子冷卻技術(shù)已得到了很大發(fā)展,為電子科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ);(2)為適應(yīng)電子技術(shù)長(zhǎng)足發(fā)展,已出現(xiàn)了許多新概念的冷卻技術(shù),其中微通道換熱,微熱管、微噴射、介觀制冷器,微電子發(fā)射制冷器等已經(jīng)或正在向成熟,它們對(duì)微電子技術(shù)的發(fā)展起著極為重要的推動(dòng)作用.我們相信這些技術(shù)會(huì)更加完善提高,走向?qū)嵱没鸵?guī)模使用,同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)更先進(jìn)的冷卻技術(shù),以適應(yīng)更先進(jìn)的電子技術(shù).© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.262低溫物理學(xué)報(bào)27卷NEWTECHNOLOGIESOFELECTRONICSCOOLINGCHENDENG2KEVacreeTechnologiesCo.,Ltd.,Hefei230043(Received15October,2004)Thispaperdiscussedtheelectronicsobject