基于快速热响应相变材料的电子器件散热技术

华南理工大学学报(自然科学版)

第35卷第7期Journal of Sou th C hina U n iversity of Technology

V ol .35　N o .7

2007年7月

(N atu ral Science Edition )July 2007

文章编号:10002565X (2007)0720052205

　

　收稿日期:2006209226

3基金项目:广东省自然科学基金资助项目(05006551)　作者简介:尹辉斌(19802),男,博士生,主要从事传热强化与数值模拟研究.E 2mail:peppy222@https://www.360docs.net/doc/5b9306143.html,

通讯作者:高学农,副教授,E 2mail:cexngao@scut .edu .cn

基于快速热响应相变材料的电子器件散热技术

3

尹辉斌1

　高学农1

　丁　静2

　张正国

1

(1.华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东广州510640;2.中山大学工学院,广东广州510006)

摘　要:以石蜡为相变材料,利用膨胀石墨的高导热系数和多孔吸附特性,制备出高导热系数的快速热响应复合相变材料,其导热系数可达41676W /(m ?K ).将该材料应用于电子器件散热装置,在不同的发热功率条件下,储热材料散热实验系统的表观传热系数是传统散热系统的1136～2198倍,其散热效果明显优于传统散热系统,可有效提高电子元器件抗高负荷热冲击的能力,保证电子电器设备运行的可靠性和稳定性.关键词:相变材料;热性能;电子器件;散热

中图分类号:TK124;T Q 021.3 文献标识码:A

随着电子及通讯技术的迅速发展,高性能芯片和大规模及超大规模集成电路的使用越来越广泛.电子器件芯片的集成度、封装密度以及工作频率不断提高,而体积却逐渐缩小(例如,微处理器的特征尺寸在1990至2000年内从0135μm 减小到0118μm ),这些都使得芯片的热流密度迅速升高

[1]

.由于高温会

对电子元器件的性能产生有害的影响,如过高的温度会危及半导体的结点,损伤电路的连接界面,增加导体的阻值和形成机械应力损伤

[2]

.随着温度的升

高,其失效率呈指数增长趋势,甚至有的器件在环境温度每升高10℃,失效率增大1倍以上,被称为10℃法则.据统计,电子设备的失效率有55%是温度超过规定的值引起的

[3]

.同时,大多电子芯片的待机

发热量低而运行时发热量大,使瞬间温升快.因此抗热冲击和散热问题已成为芯片技术发展的瓶颈.相变储热材料由于具有蓄能密度大、蓄放热过程近似等温、过程易控制等优点,备受研究者的关注,而提高其热性能更成为了研究热点

[426]

.近年来,将相变

储热材料应用于电子元件的散热技术在国外已受到

广泛重视,并在航空、航天和微电子等高科技系统及军事装备中

[7211]

得到一定应用.

将快速热响应复合相变储热材料应用于电子器件的散热器中,针对大多数电子器件满负荷工作时间短而待机时间长的特点,对电子器件及芯片因散热而引起的表面温度升高可起到移峰填谷的作用.当电子器件满负荷工作时可将部分热量储存起来,而在其待机发热量低时再释放出储存的热量,这样可有效提高电子器件抗高负荷热冲击的能力,保证电子电器设备运行的可靠性和稳定性,同时在低温环境中电子器件可不经过预热便能正常工作.复合相变储热材料的散热技术可广泛应用于各类电子产品中,具有良好的应用前景.

1　复合相变材料的热性能

与传统的散热方式不同,对于基于快速热响应储热材料的散热技术除要求相变材料的储热密度大之外,还要求材料具有较高的导热系数,传热速率快.为解决传统相变材料高储热密度和低导热系数之间的矛盾,根据电子元件散热技术领域对快速热响应相变储热材料的性能(如密度、相变温度、储热密度)要求,实验选定导热系数高且密度低的膨胀石墨作为无机支撑材料,石蜡作为有机相变材料,利用石蜡与膨胀石墨间的固、液表面张力,孔隙结构的

毛细作用力以及膨胀石墨的多孔结构和非极性等特性,筛选、制备出有机/无机复合相变材料,使得复合相变储热材料具有较高的导热系数.

采用Hot D isk 热常数分析仪测定纯石蜡和复合相变材料的导热系数,测定结果如表1所示.

表1　导热系数对照表1

)

Table 1　Comparative table of ther mal conductivity 样品石蜡含量/%

导热系数/(W ?m -1?K -1)

石蜡

100.000.26971#98.36 1.04902#98.04 1.62103#97.56 1.79804#96.77 2.54805#95.24 3.18606#93.75 4.67607#

90.91

1.7950

　1)1#～7#样品为复合相变储热材料.

从表中可以看出,复合相变材料的导热系数相比于纯石蜡有了显著的改善和提高,其中6#

样品的导热系数达到416760W /(m ?K ),提高了一个数量级.理论上,随着膨胀石墨添加量的不断增加,复合相变材料的导热系数会一直呈上升趋势,

但7#样品的导热系数有所下降.这主要是由于高比例膨胀石墨的存在使样品的结构变得比较疏松,存在部分空隙和气体,从而导致了导热系数的下降.

由于膨胀石墨的多孔结构和良好的热传导性,石蜡在和膨胀石墨复合后,不仅能在熔融状态下保持形状稳定、不流动,而且复合材料的热传导性能也比纯石蜡提高了许多.图1为石蜡和石蜡/膨胀石墨复合相变储热材料的储/放热性能曲线.

图1　石蜡和复合相变材料的储/放热性能曲线

Fig .1　Heat st orage and release curves of the paraffin and the

composite phase change material

实验过程中,将5g 石蜡和5g 石蜡/膨胀石墨复合相变储热材料分别装入等壁厚和等直径的玻璃试管,热电偶分别插入试管中心处.首先将两试管放入21℃恒温水浴中,等温度稳定后迅速置于65℃恒温

水浴中进行储热实验.储热实验完成后,再将其置于21℃恒温水浴中进行放热实验.温度由Agilent 34970A 数据采集系统进行自动测量记录.

从图1中可以看出,在实验开始记录后的260s 时间内,石蜡和石蜡/膨胀石墨复合相变储热材料的温度都维持在21℃.随着时间的增加,石蜡和石蜡/膨胀石墨复合相变材料的温度开始上升并发生固-液相变(储热过程).当都达到与系统温度平衡时(65℃),石蜡需时间920s,而石蜡/石墨复合相变储

热材料只需270s,这比石蜡所需时间减少7017%.当储热过程完成后,温度从65℃下降到21℃附近时

(放热过程),石蜡需时间460s,而石蜡/石墨复合相变储热材料需200s,比石蜡所需时间减少5615%.由图1的数据可见,由于石墨具有较高的导热系数,大大提高了石蜡/石墨复合相变储热材料在储/放热过程的传热性能,无论储热还是放热时间,都比石蜡明显减少.

2　实验系统的构建

本实验系统主要由温度自动测量系统、模拟运行系统及可调变压器组成.实验装置是以个人电脑的机箱作为主体框架,利用部分废弃的电子元器件改装而成,模拟其运行及散热情况.进行散热研究时,可通过可调变压器调整可控功率电热器的发热功率获得本实验研究内容所要求的条件.

温度自动测量系统主要仪器为Agilent 34970A 数据采集仪.实验过程中,利用Agilent 34970A 数据采集仪及其配套软件将热电偶的测量电压值直接转换成实际温度值,并自动记录到计算机上.

模拟运行系统主要包括散热器(60mm ×60mm ×30mm 的长方体)、储热器件(90mm ×60mm ×20mm 的长方体)和可控功率电热器及其运行系统.储热器件通过热管与可控功率电热器及其散热器连接,本实验采用两根同等规格的微热管,其直径为6mm ,长150mm ,热管一端约50mm 置于储热器的

中间位置,另一端置于散热器底部,与可控功率电热

器直接接触,中间段约50mm 进行保温.可控温元件与热管、散热器之间用导热硅脂粘合,以提高其间的结合度,改善换热情况.其结构如图2所示.

3

5　第7期尹辉斌等:基于快速热响应相变材料的电子器件散热技术

图2　模拟运行系统结构示意图

Fig.2　Sche matic diagra m of si m ulative syste m

1—可控功率电热器;2—微热管;3—储热器件;

4—散热器;5—PCB;6—机箱电源

3　实验方案

本实验过程主要分为两大部分.

(1)对比实验.测定在传统散热模式下,不同的发热功率条件及瞬时高发热功率条件下可控功率电热器及散热器的表面温度随时间的变化规律.为更好地比较分析复合相变储能材料对电子器件散热及抗高热负荷冲击的性能影响规律,实验过程中不启用强制冷却风扇.

(2)构建基于快速热响应储热材料的电子器件散热测试实验系统.按6#样品的含量制备出快速热响应复合相变材料,该材料相变潜热为18910kJ/kg,导热系数为416760W/(m?K),密度与石蜡相当.将此材料制作复合相变储热材料器件,应用于电子器件散热装置,给定不同的发热功率条件以及瞬时高发热功率条件,测定可控功率电热器及相变材料的温度随时间的变化规律.

4　实验结果及分析

对于电子系统,温度场分布是评价其散热性能优劣的主要指标.下文分别对可控功率电热器及相变材料的温度变化进行分析讨论,并引入表观传热系数作为衡量指标,以对比分析传统散热系统和储热材料散热实验系统的散热效果.

4.1　可控功率电热器的表面温度变化规律

实验对比传统散热系统以及基于快速热响应储热材料的散热实验系统,测定两者在不同的发热功率条件及瞬时高发热功率条件下温度随时间的变化规律.在系统运行达到稳定后,停止输入功率,测定其降温过程温度的变化规律.图3为在不同的输入电压(即不同的输入功率)下,

可控功率电热器的表

图3　不同输入电压下可控功率电热器表面温度变化曲线Fig.3　Temperature variati onal curves of contr ollable power electric component at different input voltages

面温度随时间的变化规律.从图中可见,每条温度变化曲线都分为两段,一段为启动运行过程的温度上升阶段,另一段为停止输入功率的温度下降阶段.

图4显示了在不同发热功率条件下可控功率电热器表面的温度变化规律.从图中可以看出,当发热功率在50W以下时,随着发热功率的增大,可控功率电热器的表面温度增长迅速,这是温度变化的主要区段;当发热功率在50～175W之间时,随着发热功率的进一步增大,可控功率电热器的表面温度变化缓慢,其温度变化曲线开始变得平缓;当发热功率在175W以上时,

可控功率电热器的表面温度已经

图4　不同发热功率下可控功率电热器表面温度变化规律Fig.4　Temperature variati onal disci p linarian of contr ollable power electric component at different power conditi ons

45华南理工大学学报(自然科学版)第35卷

没有太大的变化,趋于稳定值.从图中还可以看出,储热材料散热实验系统的温度变化曲线位于传统散热系统的温度变化曲线之下,在相同的发热功率下,储热材料散热实验系统可控功率电热器的表面温度较低,这说明了其散热效果要优于传统散热系统. 4.2　相变材料的温度变化规律

进行散热研究时,微型可控功率电热器产生的热量一部分通过与其接触的散热器散失,另一部分则通过微热管传递给储热材料,当相变材料的温度达到其相变温度时,储热材料吸收热量发生相变并将热量储存起来;低于相变材料的相变温度时,储热材料吸收热量又通过散热器散失掉.图5列出了在不同的发热功率条件下,相变材料内部的温度随时间的变化规律,曲线分为两段,第一段为系统启动运行过程相变材料温度的上升阶段,另一段为系统停止运行相变材料的温度下降阶段.如图中曲线4所示,当可控功率电热器的发热功率达到371时,储热材料的温度达到其相变温度,发热功率在3715W 以下时,储热材料未能发生相变,吸收微热管传递的热量,一部分通过散热器又散失到空气中.在蓄热阶段,相变过程在图线上表现不明显,其原因是材料具有较高的导热系数,由热源传递过来的热量被复合相变材料吸收后,一部分又很快被散失到环境中.通过对复合相变材料进行DSC分析,其相变温度为61℃左右,当输入功率提高到一定程度时,可以观察到材料的温度已经超过了相变温度点,表明此时相变已经发生.从图5中可以发现在温度值超过相变点的一段曲线斜率有一定程度的减小,能够反映出潜热在蓄热过程中的作用.在系统停止运行的降温阶段,温度达到相变温度的储热材料的降温曲线

会出现一个拐点,其温度值接近于其相变温度值

,

图5　复合相变材料的温度变化曲线

Fig.5　Te mperature variati onal curves of composite phase change material 如图中的曲线4～7所示,在降温起点至拐点区间,温度下降较快,曲线的斜率较大;经过此拐点值,降温速度开始变得缓慢,曲线更为平缓一些,其温度变化规律与储热材料的相变规律是吻合的.

4.3　表观传热系数的比较

在传统散热模式下,可控功率电热器产生的热量通过界面材料(导热硅脂)以热传导的方式传递到散热器,然后以空气自然对流的方式散失到环境中.在储热材料散热实验系统中,可控功率电热器产生的热量一部分通过与其接触的散热器散失,这与传统散热模式下的散热过程是相同的;另一部分则通过微热管传递给储热材料,当相变材料的温度达到其相变温度时,储热材料吸收热量发生相变并将热量储存起来;低于相变材料的相变温度时,储热材料吸收热量又通过散热器散失掉.为简单、直观地对比分析传统散热系统和储热材料散热实验系统的散热效果,本文引入表观传热系数(k)作为衡量的指标.

根据传热方程式

Φ=kAΔT(1)

表观传热系数可表示为

k=

Φ

AΔT

(2)以上式中Φ为热流量,忽略其他热损失,可近似取发热功率P作为热流量;A为散热面积;ΔT为传热温差,即可控功率电热器的表面温度与环境温度的差值.

图6显示了表观传热系数的变化规律.从图中可以看出,随着发热功率的增大,表观传热系数呈现先降后升的变化规律.表观传热系数是由导热系数、对流传热系数及接触热阻等几方面的因素共同决定的,同时在给定热流量的条件下,表观传热系数与传热温差ΔT相互影响、相互作用.在发热功率比较小的情况(1717～2817W)下,空气介质的自然对流强度不大,传导热阻和接触热阻是传热的主要阻力,可控功率电热器的表面温度上升迅速,传热温差ΔT 较大,在这一阶段,表观传热系数随发热功率的增大而减小;随着发热功率的进一步增大,空气介质的自然对流加强,对流传热系数增大,成为主导因素,表观传热系数呈上升变化趋势.从图中我们还可以看出,在不同的发热功率条件(1717～36519W)下,储热材料散热实验系统的表观传热系数是传统散热系统的1136～2198倍,其散热效果明显优于传统散热系统.

55

　第7期尹辉斌等:基于快速热响应相变材料的电子器件散热技术

图6　表观传热系数变化规律

Fig.6　Variati onal disci p linarian of apparent heat transfer coefficient

5　结论

根据电子元件散热技术领域对快速热响应相变储热材料的性能要求,以石蜡和膨胀石墨为材料,制备出高导热系数复合相变材料,并应用于电子器件散热装置,使得相同条件下其性能和抗高负荷冲击性能明显优于传统电子器件散热器.

(1)利用膨胀石墨良好的吸附性和导热性,以石蜡作为相变储能介质,制备出的相变储热复合材料在相变过程中不会发生泄漏现象,其导热系数可达到416760W/(m?K),相比于纯石蜡提高了一个数量级.在实验条件下,复合相变储热材料的储热时间和放热时间分别比纯石蜡缩短了7017%和5615%.

(2)将石蜡/膨胀石墨复合相变材料应用于电子器件散热装置,在不同的发热功率条件下,储热材料散热实验系统的表观传热系数是传统散热系统的1136～2198倍,其散热效果明显优于传统散热系统.可控功率电热器产生的一部分热量通过微热管传递给储热材料,当相变材料的温度达到其相变温度时,储热材料吸收热量发生相变并将热量储存起来,从而使得可控功率电热器的温升速率下降,在一定程度上可以达到提高电子器件抗高负荷热冲击能力的目的,保证电子电器设备运行的可靠性和稳定性.利用相变材料大的相变潜热和较为恒定的相变温度的特点,能实现电子器件散热的有效管理.

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(下转第104页)

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Synthesis and Appli cati on of Phenoli c Resi n I nternally Toughened by Cha i n Extensi on Poly mer of Epoxi di zed Soybean O il

S itu Yue　Hu J ian2feng　Huang Hong　Fu He2qing　Zeng Han2w ei　Chen Huan2qin (School of Che m ical and Energy Engineering,South China Univ.of Tech.,Guangzhou510640,Guangdong,China)

Abstract:I n this paper,first,a novel phenolic resin internally t oughened by epoxidized s oybean oil(ES O)with good t oughness and ther mal stability was p repared as the matrix resin of copper clad la m inate(CCL).Next,FT2I R was adop ted t o characterize the molecular structure of the modified phenolic resin and SE M was used t o observe the m icr o mor phol ogy of the resin intersecti ons with i m pact.Then,the p r operties of CCL s p repared with the modified phenolic resin were studied t o deter m ine the op ti m al p r ocessing conditi ons.Finally,the corres ponding t oughening mechanis m was investigated.It is de monstrated that the t oughening relies mainly on the triethanola m ine2catalyzed etherificati on reacti on bet w een phenol hydr oxyl and ES O and the chain extensi on poly merizati on bet w een ES O and multi2a m ine,which p resents l ong2chain ES O epoxy grafting on the phenolic resin p repoly mer.Moreover,it is f ound that the ES O2t oughened phenolic resin possesses op ti m al perfor mance at an ES O content of30%and a curing agent content of7%,and that the flexible ES O epoxy possessing significant t oughening effect can cr osslink with the phe2 nolic resin t o for m an internally t oughened net w ork f or i m p r oving the s olderleaching resistance of the CCL p repared with the modified phenolic resin.

Key words:phenolic resin;t oughness;epoxidized s oybean oil;copper clad la m inate;s olderleaching resistance; synthesis;app licati on

　(上接第56页)

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Cooli n g Technology of Electron i c Devi ce Based on Phase2Change Materi a l

with Rapi d Ther mal Response

Yin Hui2bin1　Gao X ue2nong1　D ing J ing2　Zhang Zheng2guo1

(1.Key Laborat ory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservati on of the M inistry of Educati on,South China Univ.of Tech., Guangzhou510640,Guangdong,China;2.School of Engineering,Sun Yat2Sen Univ.,Guangzhou510006,Guangdong,China)

Abstract:A kind of composite phase2change material(PC M)possessing rap id ther mal res ponse was p repared, with paraffin as the phase2change material and with por ous expanded graphite of high ther mal conductivity as the supporting material.The p r oduct with a ther mal conductivity up t o41676W/(m?K)was then app lied t o the heat sinks of electr onic devices.The results show that the apparent heat transfer coefficients of the PC M2based testing sys2 te m at different heating po wers are1136～2198ti m es that of the traditi onal cooling syste m,meaning that the PC M2 based testing syste m is of better cooling perf or mances and is capable of effectively i m p r oving the resistance t o high2 l oading heat shock.Thus,the operati on reliability and stability of electr onic devices can be effectively ensured.

Key words:phase2change material;ther mal p r operty;electr onic device;cooling