1 引言
隨著電子組裝技術(shù)的不斷發(fā)展，電子設(shè)備的體積趨于微型化，系統(tǒng)趨于復(fù)雜化，高熱密度成了一股不可抗拒的發(fā)展趨勢(shì)。為了適應(yīng)高熱密度的需求，風(fēng)扇、散熱器等傳統(tǒng)的散熱手段不斷推陳出新，新穎高效的散熱方法層出不窮。在眾多散熱方式面前，區(qū)分各種散熱方式的散熱能力，從而選擇既經(jīng)濟(jì)又可靠的散熱方法成為設(shè)計(jì)人員極為關(guān)注的問題。本文針對(duì)風(fēng)冷和水冷兩種常用的散熱方式，綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)中對(duì)這兩種散熱方式的研究結(jié)果，總結(jié)出這兩種散熱方式的散熱能力，為熱設(shè)計(jì)人員選擇經(jīng)濟(jì)合理的散熱方式提供參考依據(jù)。
2 各種傳熱方式的傳熱能力分析
各種傳熱方式傳熱系數(shù)的大致范圍如附表所示[1]。對(duì)空氣而言，自然風(fēng)冷時(shí)的傳熱系數(shù)是很低的，最大為10w/(m2k)，如果散熱器表面與空氣的溫差為50℃，每平方厘米散熱面積上空氣帶走的熱量最多為0.05w。傳熱能力最強(qiáng)的傳熱方式是具有相變的換熱過程，水的相變過程換熱系數(shù)的量級(jí)為103～104。熱管的傳熱能力之所以很大，就是因?yàn)槠湔舭l(fā)段和冷凝段的傳熱過程都是相變傳熱。
文獻(xiàn)[2]給出了根據(jù)散熱體積和熱阻選擇散熱方式的參考依據(jù)，如圖1所示。例如對(duì)于熱阻要求為0.01℃/w的散熱方式，如果體積限制在1000in3(1in3=16.4cm3)，可以選擇風(fēng)冷散熱方式，但必須配備高效的風(fēng)冷散熱器;而如果體積限制在10in3，只能選擇水冷的散熱方式。
3 風(fēng)冷
風(fēng)冷散熱方式成本低，可靠性高，但由于散熱能力小，只適用于散熱功率小而散熱空間大的情況下。目前風(fēng)冷散熱器的研究熱點(diǎn)是將熱管與散熱器翅片集成在一起，利用熱管的高傳熱能力，將熱量均勻地傳輸?shù)匠崞砻妫岣叱崞砻鏈囟鹊木鶆蛐裕M(jìn)而提高其散熱效率。
空氣強(qiáng)制對(duì)流冷卻方式是目前電力電子元件常用的散熱方式，其普通結(jié)構(gòu)是散熱器加風(fēng)扇的形式。該結(jié)構(gòu)雖然實(shí)施方便，成本較低，但其散熱能力有限。以intel pentium 4 cpu(2.2ghz)的冷卻為例來說明普通風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的散熱范圍。該cpu發(fā)熱量約為55w，表面許可溫度為70℃，芯片尺寸為12×12.5×1.5mm，熱擴(kuò)散銅板尺寸為31×31mm。散熱器加風(fēng)扇的限制安裝空間為80×60×50mm。manish saini對(duì)該種情況下普通風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的最大散熱量做了實(shí)驗(yàn)研究[4]。采用icepak模擬表明，31×31mm熱擴(kuò)散銅板的熱阻和16×16mm的銅板均勻加熱時(shí)的熱阻相等。實(shí)驗(yàn)方法是以一塊面積為16×16mm、均勻加熱的銅板為熱源，采用普通散熱結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，當(dāng)cpu的表面溫度為70℃，周圍空氣溫度為35℃，在80×60×50mm的散熱空間內(nèi)，風(fēng)扇采用頂吹形式時(shí)最大散熱量為89.4w，采用側(cè)吹形式時(shí)最大散熱量為78.2w。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，風(fēng)扇頂吹時(shí)的熱源的最大熱流密度為34.9w/cm2，側(cè)吹時(shí)熱源的最大熱流密度為30.5w/cm2。
為了使風(fēng)冷系統(tǒng)適應(yīng)高熱密度散熱的新要求，熱設(shè)計(jì)人員通過改變電子元器件的封裝技術(shù)和形式、設(shè)計(jì)新型的風(fēng)冷裝置使風(fēng)冷系統(tǒng)具有更廣闊的適用范圍。在改變封裝形式方面，采用基片在上的倒封裝技術(shù)制造的倒裝芯片(flip chip)、直接利用印制電路板做基體的球柵列陣(bga)等手段都提高了封裝模塊的散熱性能。在新型風(fēng)冷裝置的設(shè)計(jì)上，ralph l.webb，shinnobu yamauchi[5]等人為電腦的cpu設(shè)計(jì)了一種名為風(fēng)冷熱虹器的散熱裝置(air-cooled thermosyphon)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該裝置由熱虹吸器和散熱片組成，熱虹吸器的管殼材料為鋁，工質(zhì)為r134a，散熱片的迎風(fēng)面積為75×90mm(16mm寬)。實(shí)驗(yàn)方法仍是對(duì)一塊16×16mm的銅板均勻加熱，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，cpu表面溫度在許可范圍內(nèi)時(shí)，銅板最大加熱密度為39w/cm2，即采用該裝置能從cpu上帶走100w的熱量，這是目前報(bào)道的散熱能力最大的風(fēng)冷裝置。該裝置的缺陷是安裝方位只能取豎直方向，因?yàn)闊岷缥鲀?nèi)沒有芯體，液體只能依靠重力回到加熱表面。
