电子元器件散热方法研究
【CN110099548A】一种电子器件散热装置与方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910359479.0 (22)申请日 2019.04.30 (71)申请人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 魏进家 袁博 张永海 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人 安彦彦 (51)Int.Cl. H05K 7/20(2006.01) (54)发明名称一种电子器件散热装置与方法(57)摘要一种电子器件散热装置与方法，包括设置在流动通道内的电子器件，电子器件布置在流动通道的底面上；流动通道顶面上开设有第一出口与第二出口，与第一出口相连的第一管道上设置有第一电磁阀，与第二出口相连的第二管道上设置有第二电磁阀，流动通道底面上开设第一入口和第二入口，与第一入口相连的第三管道上设置有第三电磁阀；与第二入口相连的第四管道上设置有第四电磁阀。由一台PLC控制四枚电磁阀两两一组进行交替的开启与闭合，通过往复流动的液体对电子器件表面气泡的进行持续高效冲击，促使气泡脱离加热表面，并离开流道，显著提升了换热系数和临界热流密度，达到高热流密度条件 下电子器件散热的需求。权利要求书1页 说明书4页 附图3页CN 110099548 A 2019.08.06 C N 110099548 A
权 利 要 求 书1/1页CN 110099548 A 1.一种电子器件散热装置，其特征在于，包括设置在流动通道(5)内的电子器件，电子器件布置在流动通道(5)的底面上；流动通道(5)顶面上开设有第一出口与第二出口，与第一出口相连的第一管道(13)上设置有第一电磁阀(1)，与第二出口相连的第二管道(14)上设置有第二电磁阀(2)，流动通道(5)底面上开设第一入口和第二入口，与第一入口相连的第三管道(15)上设置有第三电磁阀(7)；与第二入口相连的第四管道(16)上设置有第四电磁阀(11)。 2.根据权利要求1所述的一种电子器件散热装置，其特征在于，流动通道(5)的横截面为矩形。 3.根据权利要求1所述的一种电子器件散热装置，其特征在于，第一入口与第二入口之间的距离以及第一出口与第二出口之间的距离均大于电子器件的长度10mm。 4.根据权利要求1所述的一种电子器件散热装置，其特征在于，第一电磁阀(1)、第二电磁阀(2)、第三电磁阀(7)与第四电磁阀(11)均与可编程逻辑控制器相连。 5.根据权利要求1所述的一种电子器件散热装置，其特征在于，第三电磁阀(7)与第四电磁阀(11)的入口均与流量计(6)相连。 6.根据权利要求5所述的一种电子器件散热装置，其特征在于，流量计(6)与离心泵(12)相连。 7.根据权利要求1所述的一种电子器件散热装置，其特征在于，电子器件连接有直流电源(10)。 8.根据权利要求1所述的一种电子器件散热装置，其特征在于，当第一电磁阀(1)与第四电磁阀(11)开启时，第二电磁阀(2)与第三电磁阀(7)闭合；当第二电磁阀(2)与第三电磁阀(7)开启时，第一电磁阀(1)与第四电磁阀(11)闭合。 9.一种基于权利要求1-8中任意一项所述散热装置的散热方法，其特征在于，通过可编程逻辑控制器相连控制第一电磁阀(1)与第四电磁阀(11)开启，第二电磁阀(2)与第三电磁阀(7)闭合，流动通道(5)内液体从右向左流过电子器件表面，进行流动沸腾换热；在经过一个动作周期后，第二电磁阀(2)与第三电磁阀(7)开启，第一电磁阀(1)与第四电磁阀(11)闭合，液体反向，从左向右流过电子器件表面；如此反复切换电磁阀工作状态，实现液体的高频往复流动，从而实现对电子器件的散热。 10.一种根据权利要求(9)所述的散热方法，其特征在于，一个动作周期为50ms。 2
电子设备的散热问题与新型冷却技术的应用分析
电子设备的散热问题与新型冷却技术的应用分析 摘要：文章结合当前现代电子设备应用面临的各类问题，综合分析常用的电子 散热冷却方法以及新型热管技术在电子冷却中的应用前景，旨在能够通过有效的 散热操作解决电子设备散热问题，提升电子设备性能。 关键词：电子设备；散热问题；新型冷却技术；应用分析 从当前各类电子设备的应用发展实际情况来看，电子及其相关产业的发展体 现出两个发展趋势，一个是追求小型化和集成化发展，另外一个则是追求高效率 和高运算发展。在电子设备的广泛应用发展下，一些单位容积范围内的电子元器 件发热量不断增加，电子设备的散热问题成为当前制约整个微电子工程发展的重 要问题。为此，需要相关人员结合实际积极思考和探究电子设备的散热策略，旨 在能够在实际应用操作中进一步增强电力电子产品的功能。 一、电子散热技术的发展 在社会经济和科技的快速发展下，电子散热技术也发生了深刻的变革。在最早，电子散热技术发展处于真空管时代，电子散热功率较大，电子器械的体积也 较大。之后，伴随晶管体的出现，使得电子散热功率、体积在一定程度上减小。 再之后，受CMOS技术应用的影响，电子设备的运行速度提升，散热技术的应用 发展面临前所未有的发展调整，在电子散热技术方面开始着重研究新型冷却技术。 二、热管的诞生和传热特性 在1942年的时候，美国学者提出在不用动力的情况下，利用介质的变化和毛细吸力能够在较小温差环境下传递大功率热量的构想。在上个世纪六十年代的时候，人们为了解决人造微卫星仪器温度控制问题，应用实践证明了热管这种装置 的导热性能是其他零部件导热性能的几千倍，在一时间，国家对热管的研究得到 了快速发展。从实际应用情况来看，热管的应用具有以下几方面的特点：第一， 热管的传热能力。从热管的传热能力来看，热管在进行传热操作的时候所应用的 材料数量和构件相对较少。第二，热管本身对热度和温度变化反应速度灵敏、快速，传热速度理想。第三，整个热管的表面温度控制均匀，能够在几千米以上进 行传热操作，且传热过程中温度降低较小。第四，整个热管的散热系统结构组成 灵活，热源和散热部分往往能够各自独立存在，在进行吸收散热的时候各个零部 件往往互不影响，使得电力电子产品的设计灵活多样。 近几年，热管技术开始在电器设备、电子元器件冷却、半导体冷却、大规模 集成电路板散热方面得到了广泛的应用，且取得了良好的效果，其中小型散热管、回路热管、脉动热管等体现出良好的发展潜力。 三、电子设备新型冷却方式和冷却介质的选择 （一）冷却方式的选择 电子设备新型冷却方式有自然风冷、强迫风冷、强迫液冷等三部分，其中， 自然风是一种最为理想的冷却方式，在进行冷却操作的时候往往不需要其他冷却 辅助设备的支持，但是冷却能力较差，仅仅适合在热流密度在每平方厘米0.04W 的电子元器件中进行冷却操作。强迫风冷冷却系统的构成则是较为简单，且开发 使用成本费用较低，但是受外形尺寸大小的影响，这类设备所能够为人们提供的 风量较小。液体冷却系统的构造则是较为复杂，设备运行所需要花费和消耗的成 本较高，但是在实际应有中所能够承受的热流密度较大，散热效率较高。 （二）冷却介质的选择 风冷电子设备运行所选择的冷却介质是空气，在选择这类设备的时候还需要
电子设备常用散热方式的散热能力分析
电力电子设备常用散热方式的散热能力分析1 引言 随着电子组装技术的不断发展，电子设备的体积趋于微型化，系统趋于复杂化，高热密度成了一股不可抗拒的发展趋势。为了适应高热密度的需求，风扇、散热器等传统的散热手段不断推陈出新，新颖高效的散热方法层出不穷。在众多散热方式面前，区分各种散热方式的散热能力，从而选择既经济又可靠的散热方法成为设计人员极为关注的问题。本文针对风冷和水冷两种常用的散热方式，综合国内外文献中对这两种散热方式的研究结果，总结出这两种散热方式的散热能力，为热设计人员选择经济合理的散热方式提供参考依据。 2 各种传热方式的传热能力分析 各种传热方式传热系数的大致范围如附表所示[1]。对空气而言，自然风冷时的传热系数是很低的，最大为10w/(m2k)，如果散热器表面与空气的温差为50℃，每平方厘米散热面积上空气带走的热量最多为0.05w。传热能力最强的传热方式是具有相变的换热过程，水的相变过程换热系数的量级为103～104。热管的传热能力之所以很大，就是因为其蒸发段和冷凝段的传热过程都是相变传热。 附表各种传热方式的传热系数
文献[2]给出了根据散热体积和热阻选择散热方式的参考依据，如图1所示。例如对于热阻要求为0.01℃/w的散热方式，如果体积限制在1000 in3（1in3=16.4 cm3），可以选择风冷散热方式，但必须配备高效的风冷散热器；而如果体积限制在10 in3，只能选择水冷的散热方式。 图1 散热体积与热阻的大致关系 3 风冷 风冷散热方式成本低，可靠性高，但由于散热能力小，只适用于散热功率小而散热空间大的情况下。目前风冷散热器的研究热点是将热管与散热器翅片集成在一起，利用热管的高传热能力，将热量均匀地传输到翅片表面，提高翅片表面温度的均匀性，进而提高其散热效率。 空气强制对流冷却方式是目前电力电子元件常用的散热方式，其普通结构是散热器加风扇的形式。该结构虽然实施方便，成本较低，但其散热能力有限。以int
电力电子器件
新型电力电子器件 电力电子器件（Power Electronic Device）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，又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及单极型MOS功率场效应晶体管、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。 各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。功率二极管是二端(阴极和阳极)器件，其器件电流由伏安特性决定，除了改变加在二端间的电压外，无法控制其阳极电流，故称不可控器件。普通晶闸管是三端器件，其门极信号能控制元件的导通，但不能控制其关断，称半控型器件。可关断晶闸管、功率晶体管等器件，其门极信号既能控制器件的导通，又能控制其关断，称全控型器件。后两类器件控制灵活，电路简单，开关速度快，广泛应用于整流、逆变、斩波电路中，是电动机调速、发电机励磁、感应加热、电镀、电解电源、直接输电等电力电子装置中的核心部件。这些器件构成装置不仅体积小、工作可靠，而且节能效果十分明显(一般可节电10%～40%)。 单个电力电子器件能承受的正、反向电压是一定的，能通过的电流大小也是一定的。因此，由单个电力电子器件组成的电力电子装置容量受到限制。所以，在实用中多用几个电力电子器件串联或并联形成组件，其耐压和通流的能力可以成倍地提高，从而可极大地增加电力电子装置的容量。器件串联时，希望各元件能承受同样的正、反向电压；并联时则希望各元件能分担同样的电流。但由于器件的个异性，串、并联时，各器件并不能完全均匀地分担电压和电流。所以，在电力电子器件串联时，要采取均压措施；在并联时，要采取均流措施。 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。 1. 超大功率晶闸管 晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV / 4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV / 4kA和6kV / 6kA的光触发晶闸管（LTT）。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，（由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC、静止无功补偿（SVC）、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。 现在，许多生产商可提供额定开关功率36MVA （6kV/ 6kA ）用的高压大电流GTO。传统GTO的典型的关断增量仅为3~5。GTO关断期间的不均匀性引起的"挤流效应"使其在关断期间dv/dt必须限制在500~1kV/μs。为此，人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电路。另外它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管，这些突出的优点仍使人们对GTO感到兴趣。到目前为止，在高压（VBR>3.3kV）、大功率（0.5~20 MVA）牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6in、6kV / 6kA以及9kV/10kA。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需
电子产品散热技术最新发展(上)
堇查壁蔓ｉｊ三翌隧阉固电子产品散热技术最新发展（上） 最近几年ＬＳＩ、数码相机、移 动电话、笔记本电脑等电子产品． 不断朝高密度封装与多功能化方向发展．散热问题成为非常棘手的课题。ＬＳＩ等电子组件若未作妥善的散热处理．不但无法发挥ＬＳＩ的性能．严重时甚至会造成机器内部的热量暴增等。然而目前不论是ＬＳＩ组件厂商．或是下游的电子产品系统整合业者．对散热问题大多处于摸索不知所措的状态．有鉴于此．介绍一下国外各大公司散热对策的实际经验．深入探索散热技术今后的发展动向．是很有必要的＝．散热技术的变迁 如图１所示由于“漏电”问题使得ＬＳＩ的散热对策是系统整合的责任．这种传统观念正面临极大的变革。此处所谓的漏电是指晶体管（仃彻ｓｊｓ【ｏｒ）的ｓｏｕｒｃｅ与ｄｒａｉｎ之间．施加于ｌｅａｌ（电流的电源电压大晓而言。理论上ｌｅａｋ电力会随着温度上升不断增加．如果未有效抑制热量意味着１ｅａｌ【电力会引发更多的热量．造成１ｅａｋ电力持续上升恶性循环后果。 以Ｉｎｔｅｌ新推出的微处理器“ｎｉ唧ｐｒｏｃｅｓｓ）而言，它的消费电力之中６０％～７０％是属于１ｅａｋ电力＋一般认为未来１～２年ｌｅａｋ电力仍然扮演支配性角色。 图１电子组件散热对策的变化趋势 高弘毅 在此同时系统整合业者．由于 单位体积的热最不断膨胀．使 得如何将机器内部的热量排除 更是雪上加霜．因此系统整合 业者转因而要求ＬｓＩ组件厂商， 提供有效的散热对策参考模式， 事实上Ｉｍｅｌ已经察觉事态的严重 性，因此推出新型微处理器的 同时．还提供下游系统整合业 者有关ＬｓＩ散热设计的ｍｏｄｅｌ ｃａｓｅ．因此未来其他电子组件厂 商未来势必跟进。 如上所述ＬＳＩ等电子组件的散 热对策．成为电子业界高度嘱目 焦点．主要原因是电子产品性能 快速提升所造威。以往计算机与 数字家电业者大多忽视漏电电力 问题的存在．甚至采取增加电力 的手法补偿漏电电力造成的损失， Ｈ…１Ｕ¨ｏ『¨Ⅸ■｝ ◆以往：委由系统业者自行处理 今后：组件厂商夸力支持 可再啄■面ｉ而ｎ２２． 万方数据
IGCT大功率器件
集成门极换流晶闸管（IGCT） 1.电力电子器件发展 电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“机车’’。现代电力电子技术无论对改造传统-t-业(电力机械、矿冶、交通、化工、轻纺等)，还是对高新技术产业(航天、激光、通信、机器人等)都至关重要，它已迅速发展成为一门独立学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，毫无疑问，它将成为21世纪重要关键技术之一。 电力电子器件是现代电力电子设备的核心。它们以开关阵列的形式应用于电力变流器中，把相同频率或者不同频率的电能进行交流—直流(整流器)，直流一直流(斩波器)，直流一交流(逆变器)和交流一交流(变频器)变换。这种开关模式的电力电子变换在与国民经济发展密切相关的关键科学技术中有着重要的应用。首先，在节能和环保方面，电力电子变换在能源能量转换和能量输配过程中具有很高的效率，如果用很好的电力电子技术去转换，人类至少可节省约1／3的能源，而未来电力能源中的80％要经过电力电子设备的转换。其次，在信息和通信技术中，通过开关模式的电力电子变化可以为计算机与通信设备提供稳定的可靠的电源。此外，在交通运输中，电动汽车和电力机车的都和电力电子变换密切相关。 “一代器件决定一代电力电子技术。’’现代电力电子技术基本上是随着电力电子器件的发展而发展起来的。从1958年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。80年代末期和90年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，标志着传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价值的20％'-'--30％，但是，它对提高装置的各项技术指标和技术性能，却起着十分重要的作用。因此对电力电子器件进行深入的研究和应用是非常重要的。 现代电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化方向发展。另外，电力电子模块化是电力电子向高功率密度发展的重要的一步。本文中提到的IGCT就是一种用于中大型电力电子设备中的新型大功率电力电子器件。它的应用使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃. 1.1 整流管 整流管是电力电子器件中结构最简单、应用最广泛的一种器件。目前主要有普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管三种类型。电力整流管在改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面发挥着非常重要的作用。目前，人们已通过新颖结构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管的优点于一体的具有MPS、SPEED和SSD等结构的新型高压快恢复整流管。它们的通态压降为IV左右，反向恢复时间为PIN 整流管的1/2，反向恢复峰值电流为PIN整流管的1/3。
散热在结构设计中的应用
散热在结构设计中的应用___专栏！ 包括，散热方式的选择，结构的设计，材料选用等 我先根据个人的一点经验，总结出来随便谈谈。 根据热传导的途径来说，散热相应有以下三种主要方式： 一、散热片导热式散热 1、良好接触面：要求发热件与散热片要有良好接触，尽可能降低接触热阻，所以最好有大的接触面，接触面还需要有较高的光洁度，为了弥补因接触面的粗糙而导致的贴合不良，可以在中间涂抹导热脂，可以有效降低接触热阻； 2、良好的导热材料：铜、铝都有较好的导热性能，铜的导热系数虽然优于铝，但铜有密度太高、价格贵的缺点，所以实际应用中铝材是应用最多； 3、散热片固定方式：这个也是比较重要的一环，如果不能把发热件与散热片良好接触，也是无法有效把热量传导到散热器上的，应用中有直接用螺丝钉紧固的，也有用弹簧片压固的，可以根据需要选择设计，需要说明的是，有些功率器件和散热片之间有绝缘要求，中间选用的绝缘材料就一定要选用低热阻的材料，比如：聚脂薄膜、云母片等，实际安装中还要注意固定位置应使用受力均匀分布； 4、散热片的形状：包括页片与基材的形状尺寸，要有尽可能加大散热表面积，这样散热片的热量才能快速与周围空气对流，比如说增加页片数目、在页片上做波浪纹都是好办法；基材要厚一些比较好，长而薄的散热片效率很差，在远端基本上是不起作用的了； 二、对流散热 1、自然对流：发热器件或者散热片的热量可以是依靠自然对流散热，这样的话，发热件或者散热片最好以长边取为垂直方向为佳，而且要尽量使散热片的横断面与水平面方向平行，因为热空气是上升的，这样才比较有利于空气流通，象单面页片式的散热器就比较适合安装在机体背板以自然对流方式散热； 2、强制对流：采用风扇强制吸、排的方式拉动一个风场来加强空气对流，是比较有效的散热方式，可以根据需要选择合适的风扇规格与数目，在设计上要注意的有这么几点： A、各风扇风场方向要一致，不要互相打架，否则效率肯定大打折扣，对机箱内部来说最好有相应的进风口与出风口，可以参考一下下面的附图，是一块显卡的散热设计； B、采用强制风冷时，对于页片式散热片来说，要使页片方向与风道气流方向一致 c、机箱上要根据风场的需要留出相应的散热孔，散热孔并非越多、越大就越好，首先散热孔的大小根据不同的安规等级有相应限制，还要考虑EMI的要求（可以参考一下附图）；另外，重为重要的是：散热孔的分布要与风道气流的流向吻合， 三、辐射散热 这种散热方式给设计者留出的空间相对较少，对于发热器件与散热片来说，表面光洁度越高，辐射效率越差，所以比较廉价而且较有效的一个手段是把铝型材散热器表面做氧化处理，这层氧化层可以大大改善辐射效率（比如，一个表面研磨光洁的散热片，表面辐射率可能在0.1左右，做过氧化处理后，辐射率的值可以升高到1）
电子器件散热技术现状及进展
电子器件散热技术现状及进展 随着电子及通讯技术的迅速发展，高性能芯片和集成电路的使用越来越广泛。电子器件芯片的功率不断增大，而体积却逐渐缩小，并且大多数电子芯片 的待机发热量低而运行时发热量大，瞬间温升快。高温会对电子器件的性能产 生有害的影响，据统计电子设备的失效有55 %是温度超过规定值引起的，电子器件散热技术越来越成为电子设备开发、研制中非常关键的技术。电子器件散 热的目的是对电子设备的运行温度进行控制(或称热控制)，以保证其工作的稳 定性和可靠性，这其中涉及了与传热有关的散热或冷却方式、材料等多方面内容，目前主要有空气冷却技术和液体冷却技术两大类。 1 空气冷却技术 空气冷却技术是目前应用最广泛的电子冷却技术，包括自然对流空气冷却技 术和强制对流空气冷却技术。自然对流空气冷却技术主要应用于体积发热功率 较小的电子器件，利用设备中各个元器件的空隙以及机壳的热传导、对流和辐 射来达到冷却目的。 自然对流依赖于流体的密度变化，所要求的驱动力不大，因此在流动路径中 容易受到障碍和阻力的影响而降低流体的流量和冷却速率。对于体积发热功率 较大的电子器件，如单一器件功耗达到7 W(15~25 W-cm-2)，板级(印制电路板) 功耗超过300 W(2~3W-cm-2)时，一般则采用强制对流空气冷却技术。强制散热或冷却方法主要是借助于风扇等设备强迫电子器件周边的空气流动，从而将 器件散发出的热量带走，这是一种操作简便、收效明显的散热方法。提高这种 强迫对流传热能力的方法主要有增大散热面积(散热片)以及提高散热表面的强 迫对流传热系数(紊流器、喷射冲击、静电作用)。对一些较大功率的电子器件，可以根据航空技术中的扰流方法，通过在现有型材散热器中增加小片扰流片，
散热器高效散热技术及应用研究阚宏伟
散热器高效散热技术及应用研究 摘要：随着电子技术的发展,使得电子器件的热流密度不断增加,这样势必对电子器有更高的散热要求,因此有效地解决散热问题已成为电子设备必须解决的关键技术。针对现代电子设备所面临的散热问题,就散热基本原理以及各种主流散热技术，包括自然对流散、强制风冷散热、液体冷却、热管、微槽道冷却、集成热路、热电致冷等常用的电子设备散热技术及某些前沿的研究现状、发展趋势及存在问题分别予以阐述。 关键词：热传递自然对流强制风冷热管散热热电制冷 引言：据统计,55%的电子设备失效是由温度过高引起的。可见,电子设备的主要故障形式为过热损坏,因此对电子设备进行有效的散热是提高产品可靠性的关键。电子设备的主要散热技术电子设备的高效散热问题与传热学(包括热传导、对流和热辐射)和流体力学(包括质量、动量和能量守恒三大定律)等原理的应用密切相关。 一：热传递主要有三种方式： 传导:物质本身或当物质与物质接触时，能量的传递就被称为热传导，这是最普遍的一种热传递方式，由能量较低的粒子和能量较高的粒子直接接触碰撞来传递能量。相对而言，热传导方式局限于固体和液体，因为气体的分子构成并不是很紧密，它们之间能量的传递被称为热扩散。 热传导的基本公式为“Q=K×A×ΔT/ΔL”。其中Q代表为热量，也就是热传导所产生或传导的热量；K为材料的热传导系数，热传导系数类似比热，但是又与比热有一些差别，热传导系数与比热成反比，热传导系数越高，其比热的数值也就越低。举例说明，纯铜的热传导系数为396.4，而其比热则为0.39；公式中A代表传热的面积(或是两物体的接触面积)、ΔT代表两端的温度差；ΔL则是两端的距离。因此，从公式我们就可以发现，热量传递的大小同热传导系数、热传热面积成正比，同距离成反比。热传递系数越高、热传递面积越大，传输的距离越短，那么热传导的能量就越高，也就越容易带走热量。 对流:对流指的是流体(气体或液体)与固体表面接触，造成流体从固体表面将热带走的热传递方式。 具体应用到实际来看，热对流又有两种不同的情况，即：自然对流和强制对流。自然对流指的是流体运动，成因是温度差，温度高的流体密度较低，因此质量轻，相对就会向上运动。相反地，温度低的流体，密度高，因此向下运动，这种热传递是因为流体受热之后，或者说存在温度差之后，产生了热传递的动力；强制对流则是流体受外在的强制驱动（如风扇带动的空气流动）,驱动力向什么地方，流体就向什么地方运动，因此这种热对流更有效率和可指向性。
电力电子器件的最新发展趋势
电力电子器件的最新发展趋势 现代的电力电子技术无论对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），还是对新建高技术产业（航天、激光、通信、机器人等）至关重要，从而已迅速发展成为一门独立学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，毫无疑问，它将成为本世纪乃至下世纪重要关键技术之一。近几年西方发达的国家，尽管总体经济的增长速度较慢，电力电子技术仍一直保持着每年百分之十几的高速增长。 从历史上看，每一代新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价值的20%～30%，但是，它对提高装置的各项技术指标和技术性能，却起着十分重要的作用。 众所周知，一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在截止状态时能承受高电压；在导通状态时，具有大电流和很低的压降；在开关转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和dv/dt，以及具有全控功能。 自从50年代，硅晶闸管问世以后，20多年来，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈的努力，并已取得了使世人瞩目的成就。60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到1kHz以上。70年代中期，高功率晶体管和功率MOSFET问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。80年代，绝缘栅门控双极型晶体管(IGBT) 问世，它综合了功率MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。它的迅速发展，又激励了人们对综合功率MOSFET和晶闸管两者功能的新型功率器件- MOSFET门控晶闸管的研究。因此，当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究现有功率器件的性能改进、MOS门控晶闸管以及采用新型半导体材料制造新型的功率器件等。下面就近几年来上述功率器件的最新发展加以综述。 一、功率晶闸管的最新发展 1．超大功率晶闸管 晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV / 4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV / 4kA和6kV / 6kA的光触发晶闸管(LTT)。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC、静止无功补偿（SVC）、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。 现在，许多生产商可提供额定开关功率36MVA ( 6kV/ 6kA )用的高压大电流GTO。传统GTO的典型的关断增量仅为3～5。GTO关断期间的不均匀性引起的“挤流效应”使其在关断期间dv/dt必须限制在500～1kV/μs。为此，人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电路。另外它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管，这些突出的优点仍使人们对GTO感到兴趣。到目前为止，在高压（VBR > 3.3kV )、大功率（0.5～20 MVA）牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6in、6kV / 6kA以及9kV/10kA。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功
结构设计与热设计
电子电气产品结构设计 在电子行业中的结构设计一般是：在电子设备中，由工程材料按合理的连接方式进行连接，且能安装电子元、器件及机械零、部件，使设备成为一个整体的基础结构，能够实现预定的电气、结构等功能。 而在电子行业中由于各种标准（国家标准、国际标准、行业标准等）对我们的设备提出了不同的要求。如标准YD-T 1095-2000《通信用不间断电源UPS》标准、《UL1778》等。 其中标准要求有： 4.1 环境条件 4.1.1 正常使用条件 环境温度：5°C~40°C；相对湿度≤93%[（40±2）°C，无凝露] 海拔高度应不超过1000m；若超过1000m时按GB/T3859.2规定降容使用。 4.1.2 贮存运输环境及机械条件 温度：-25°C ~ +55°C（不含电池） 振动、冲击条件应符合GB/T 14715-93中的5.3.2规定。 4.2 外观与结构 4.2.1 机箱镀层牢固，漆面均匀，无剥落、锈蚀及裂痕等现象。 4.2.2 机箱表面平整，所有标牌、标记、文字符号应清晰、正确、整齐。 4.2.3 各种开关便于操作，灵活可靠。 4.4 电磁兼容限值 4.4.1传导干扰 在150KHz~30MHz频段内，系统电源线上的传导干扰电平应符合YD/T 983-1998 中5.1表2中规定的限制。 4.4.2 电磁辐射干扰 在30MHz~1000MHz频段内系统的电磁辐射干扰电压电平应符合YD/T 983-1998 中5.2表4中规定的限值。 4.4.3 抗干扰性能要求 应符合YD/T 983-1998中7.3表9中规定的判断准则。 第一讲结构设计与热设计 电子电气行业中的热设计是指，采用适当可靠的方法控制电子设备内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证设备正常运行的安全性和长期运行的可靠性。 在UPS中，主要的热源来自于开关管（IGBT、三极管、二极管等）、磁性元件（变压器、电感等）等。由于开关管体积较小，其热密度较高，开关管的散热主要是采用传导的方式将热量传递到散热器上，再通过对流的方式散发到空气中。磁性元件体积相对较大，其主要的散热方式为对流散热。在UPS的热设计中除了主要考虑开关管、磁性元件外还需要考虑寿命受温度影响很大的电容。 1．结构设计与热设计的关系 1．1开关元件与散热器的安装，安装开关元件与散热器的扭矩应合适，使两者之间有较小的接触热阻：安装扭矩太小不能使元件与散热器良好接触，形成较大的热阻；扭矩过大能导致管荷产生应力和构件产生塑性变形，接触面反而减小，甚至结构破坏。因而在设计安装时应对元件采用厂家或标准中给出的预紧力。在我们产品中开关元件与散热器安装主要有三种方式：
电子产品散热技术最新发展(下)
电子产品散热技术最新发展（下） ．３８，僵虿丽Ｆｉ蕊面 日本ＩＢＭ基于可靠性优先等考 虑仍然采用空冷方式．它是利用 小型ｈｅａｔｐｉｐｅ与冷却风扇的组合， 将微处理器产生的热量排至外部。 该公司在２００３年４月推出动作频率 为３，０６ＧＨｚ微处理器的膝上型计算 机，就是采用冷却性能比ｈｅａｔｐｉｐｅ 更高的ｖａｐｏｒ与冷却风扇构成的散 热器，这种新型散热器可将消费电 力为８４Ｗ的微处理器的热量排至机 体外部（图１１）。ＩＢＭ未采用水冷 方式的理由有两项，第一是可靠 性问题，由于ｐ砌ｐ等组件数量增 高弘毅 加，不但可靠性令人质疑．而且还 会成本上升等后果：第二是采用水 冷方式整体设计自由度相对受到限 制，因为水冷模块必需附设热交换 器，为了获得最佳化散热效率，反 而造成其它单元的１ａｖｏｕｔ受到极大 限制。有关冷却风扇的噪音，ＩＢＭ 认为冷却风扇的大型化可以降低转 速，进而减缓旋转造成的噪音。不 过该公司也承认未来必需开发空冷 以外的新技术。 随着数码摄影机的ＣＣＤ像素 增加与记录媒体的进步，轻巧小型 万方数据
已经成为无法避免的潮流趋势。类似上述数字产品属于可携式精密电子设备，所以防尘、防水的密封性，以及防止记录时噪音混入都是必备特性，换言之未来无冷却风扇的散热设计，势必成为市场主流。 日立公司针对ＤＶＤ读写头的散热设计进行整体检讨，采用全新组件控制温度，以此稳定雷射的输出．使读写头的温度能抑制于７０℃以下。该公司的散热对策可分为三大项。分别是： （１）将基板产生的热量扩散至外筐散热。 （２）利用遮屏将高发热基板与读写头隔离。 （３）将基板与基板物理性距离分隔。 有关第（１）项，将热量扩散至外筐散热，具体方法是使用铜质板材外筐。 有关第（２）项，隔离高发热基板与读写，具体方法是使用葡锈钢遮屏，以此减少热量传导至读写头。 第（１）项述及的铜质板材外筐厚度与形状，根据日立表示经过最佳化模拟分析，成本可降至石墨膜片的ｌ／５以下（图１２）。 ⅣＣ新推出的高像素数码摄影机，由于消费电力从以往的２～３Ｗ暴增至９．７Ｗ，加上摄影机使用ＭＰＥＧ压缩／解压缩单芯片ＬＳＩ，传统铜质外筐显然无法有效达成散热要求，因此改采小型ｈｅａｔｐｉｐｅ（图１３），根据实验结果小型ｈｅａｔｐｉｐｅ可使上述ＬＳＩ的工作温度降至６６℃以下。 ＳＯＮＹ的２１１万像素数码摄影机，基于小型化与ＣｃＤ取像组件散热等考虑，同样是使用小型ｈｅａｔｐｉｐｅ，将ＣＣＤ的热量传至铝质舶ｍｅ，进而获得铜板无法比拟的 热传导效率（图１４）。 有关平面显示器（ＦＰＤ：Ｆｌａｔ ＰａｎｅｌＤｉｓｐｌａｙ）的散热设计，不论 是液晶电视与等离子电视．目前大 多延用传统散热方法，不过内建 图１３数码摄影机的内部散热结 构（ＪＶＣ） ｔｕｎｅｒ基板，亦即所谓的ｔＬｍｅｒ一体 型ＦＰＤＴＶ，未来若要达成无冷却 风扇目标，ｔｕＩｌｅｒ基板上的组件散热 对策就非常重要。ＳＨＡＲＰ的液晶 电视，设计阶段便非常积极利用热 模拟分析，仔细评估主要组件的实 际动作温度，并检讨各电路板冷却 设计，试图以此手法事先防范散热 问题（图１５）。根据ＳＨＡＲＰ表示经 过散热模拟分析的ｔｕＩｌｅｒ一体型ＦＰＤ ＴＶ，两个冷却风扇可减少一个． 散热效果则完全相同。ＰＩＯＮＥＥＲ 颞琢ｉ了菊石硇３璺． 万 方数据
贴片式功率器件的散热计
贴片式功率器件的散热计算 Heat Dispersion Calculation of Surface Mounted Power Device 北京航空航天大学方佩敏 自上世纪90年代开始，贴片式封装器件逐步替代了穿孔式封装器件。近年来，除少数大功率器件还采用穿孔式封装外，极大部分器件都采用贴片式（SMD）封装。由于贴片式功率器件封装尺寸小，不能采用加散热片的方法来散热，只能用印制板的敷铜层作为散热（一定的面积）。因此在贴片式功率器件的应用中需要在印制板（PCB）布局前，考虑所需的敷铜层散热面积。 本文介绍Micrel 公司推荐的一种简单计算方法，它可以根据选定的功率器件和使用的条件进行计算，并用查图表的方式得出所需的散热敷铜层的面积。由于实际情况较复杂，会影响到计算的正确性，比如使用印制板的厚度尺寸不同、敷铜层的厚度尺寸不同、印制板走线的宽度不同及机壳的容积大小和有无散热孔等，所以这种计算是一种粗略的估算。计算过程中，可以发现设定的使用条件是否合理，选择器件的封装尺寸大小是否能满足散热的需求。 两种过热保护 功率器件在工作过程中会产生热量使管芯的温度升高，在最大的功率输出时产生的热量最大，使管芯的温度升得最高。如果散热条件不佳，则管芯的结温超过150℃时，使器件损坏（一般称为“烧掉”）。如果散热条件良好，但使用过程中出现故障（如负载发生局部短路、线性稳压电源发生调整管短路等），则输出功率超过最大允许输出功率，会使功率器件损坏。功率器件设计者设计了两种过热保护措施：自动热调节和过热关闭保护，提高了器件的安全性及可靠性。 用户在设计PCB 散热面积时，要保证在正常最大输出功率时不出现自动热调节（自动减小输出功率）和热关闭（无输出）现象。只有在出现故障时才出现过热保护。 散热与热阻 功率器件在工作时，管芯的热量通过封装材料传导到管壳、经管壳传到敷铜板散热面，再由散热面传到环境空气中。这种热的传导过程中会有一定的热阻，如管芯传到管壳的热阻JC θ，管壳传到敷铜板的热阻CS θ，敷铜板散热面传到环境控制的热阻SA θ，这种热的传导（热的流向） 如图1所示，图中管芯的温度结温为J T 、环境空气的温度为A T 。温度由高的流向低的，从管芯到环境空气总的热阻JA θ与热传导过程的各热阻的关系为： SA CS JC JA θθθθ++=⑴ 各种热阻的单位是℃/W。热阻大，散热差。 管芯 环境 空气 J T A T JA θJC θCS θSA θ热的流向 图1
功率半导体器件是什么
“power semiconductor device”和“power integrated circuit(简写为power IC或PIC)”直译就是功率半导体器件和功率集成电路。 在国际上与该技术领域对应的最权威的学术会议就叫做International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs，即功率半导体器件和功率集成电路国际会议。 “power”这个词可译为动力、能源、功率等，而在中文里这些词的含义不是完全相同的。由于行业的动态发展，“power”的翻译发生了变化。 从上世纪六七十年代至八十年代初，功率半导体器件主要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶体管(GTR)和其后的栅关断晶闸管(GTO)等。它们的主要用途是用于高压输电，以及制造将电网的380V或220V交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等，这些设备几乎都是与电网相关的强电装置。因此，当时我国把这些器件的总称———power semiconductor devices没有直译为功率半导体器件，而是译为电力电子器件，并将应用这些器件的电路技术power electronics没有译为功率电子学，而是译为电力电子技术。与此同时，与这些器件相应的技术学会为中国电工技术学会所属的电力电子分会，而中国电子学会并没有与之相应的分学会；其制造和应用的行业归口也划归到原第一机械工业部和其后的机械部，这些都是顺理成章的。实际上从直译看，国外并无与电力电子相对应的专业名词，即使日本的“电力”与中文的“电力”也是字型相同而含义有别。此外，当时用普通晶体管集成的小型电源电路———功率集成电路，并不归属于电力电子行业，而是和其他集成电路一起归口到原第四机械工业部和后来的电子工业部。 20世纪80年代以后，功率半导体行业发生了翻天覆地的变化。功率半导体器件变为以功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET，常简写为功率MOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(power IC，常简写为PIC)为主。 这一转变的主要原因是，这些器件或集成电路能在比以前高10倍以上的频率下工作，而电路在高频工作时能更节能、节材，能大幅减少设备体积和重量。尤其是集成度很高的单片片上功率系统(power system on a chip，简写PSOC)，它能把传感器件与电路、信号处理电路、接口电路、功率器件和电路等集成在一个硅芯片上，使其具有按照负载要求精密调节输出和按照过热、过压、过流等情况自我进行保护的智能功能，其优越性不言而喻。国际专家把它的发展喻为第二次电子学革命。
散热防热在结构设计中的应用
散热防热在结构设计中的应用 来源：新世纪LED论坛https://www.360docs.net/doc/8d16139950.html, 根据热传导的途径来说，散热相应有以下三种主要方式： 一、散热片导热式散热 1、良好接触面：要求发热件与散热片要有良好接触，尽可能降低接触热阻，所以最好有大的接触面，接触面还需要有较高的光洁度，为了弥补因接触面的粗糙而导致的贴合不良，可以在中间涂抹导热脂，可以有效降低接触热阻； 2、良好的导热材料：铜、铝都有较好的导热性能，铜的导热系数虽然优于铝，但铜有密度太高、价格贵的缺点，所以实际应用中铝材是应用最多； 3、散热片固定方式：这个也是比较重要的一环，如果不能把发热件与散热片良好接触，也是无法有效把热量传导到散热器上的，应用中有直接用螺丝钉紧固的，也有用弹簧片压固的，可以根据需要选择设计，需要说明的是，有些功率器件和散热片之间有绝缘要求，中间选用的绝缘材料就一定要选用低热阻的材料，比如：聚脂薄膜、云母片等，实际安装中还要注意固定位置应使用受力均匀分布； 4、散热片的形状：包括页片与基材的形状尺寸，要有尽可能加大散热表面积，这样散热片的热量才能快速与周围空气对流，比如说增加页片数目、在页片上做波浪纹都是好办法；基材要厚一些比较好，长而薄的散热片效率很差，在远端基本上是不起作用的了； 二、对流散热 1、自然对流：发热器件或者散热片的热量可以是依靠自然对流散热，这样的话，发热件或者散热片最好以长边取为垂直方向为佳，而且要尽量使散热片的横断面与水平面方向平行，因为热空气是上升的，这样才比较有利于空气流通，象单面页片式的散热器就比较适合安装在机体背板以自然对流方式散热； 2、强制对流：采用风扇强制吸、排的方式拉动一个风场来加强空气对流，是比较有效的散热方式，可以根据需要选择合适的风扇规格与数目，在设计上要注意的有这么几点： A、各风扇风场方向要一致，不要互相打架，否则效率肯定大打折扣，对机箱内部来说最好有相应的进风口与出风口；
9电子产品散热技术最新发展
散热设计（九）电子产品散热技术最新发展晨怡热管https://www.360docs.net/doc/8d16139950.html,/news/42/2006-10-2 1:29:47 日期:2005-11-6 23:45:04 来源:电子设计资源网查看:[大中小] 作者：刘君恺热度： 最近几年包含LSI、数字相机、行动电话、笔记型计算机等电子产品，不断朝高密度封装与多功能化方向发展，使得散热问题成为非常棘手的课题，其中又以LSI等电子组件若未作妥善的散热对策，不但无法发挥LSI的性能，严重时甚至会造成机器内部的热量暴增等后果。然而目前不论是LSI组件厂商，或是下游的电子产品系统整合业者，对散热问题大多处于摸索不知所措的状态，有鉴于此本文将介绍国外各大公司，针对电子产品实施的散热对策实际经验，同时还要深入探索散热技术今后的发展动向。 散热技术的变迁 如图1所示由于「漏电」问题使得LSI的散热对策是系统整合的责任，这种传统观念正面临极大的变革。此处所谓的漏电是指晶体管(transistor)的source与drain之间，施加于leak 电流的电源电压大晓而言。理论上leak电力会随着温度上升不断增加，如果未有效抑制热量意味着leak电力会引发更多的热量，造成leak电力持续上升恶性循环后果。 以Intel新推出的微处理器(micro process)而言，它的消费电力之中60%～70%是属于leak电力，一般认为未来1～2年leak电力仍然扮演支配性角色。在此同时系统整合业者，由于单位体积的热量不断膨胀，使得如何将机器内部的热量排除更是雪上加霜，因此系统整合业者转因而要求LSI组件厂商，提供有效的散热对策参考模式，事实上Intel已经察觉事态的严重性，因此推出新型微处理器的同时，还提供下游系统整合业者有关LSI散热设计的model case，因此未来其它电子组件厂商未来势必跟进。