摘要：針對電子設備的熱失效問題，介紹了 PCB 電路板及其電子元器件的散熱方式和特點，將系統(tǒng)級散熱技術分為單相散熱和多相散熱，指出各種散熱技術的熱流密度范圍，從散熱結構、運行參數(shù)、材料與工質、散熱技術耦合等角度論述了各種散熱技術的研究進展。提出了散熱器設計、納米顆粒應用、散熱技術耦合、精密控制技術、PCB設計、減振與降噪幾個發(fā)展重點，為 PCB 電路板及其電子元器件系統(tǒng)級散熱技術進一步發(fā)展提供了建議。
01
引言
PCB 是電子設備的核心，包括電阻、芯片、三極管等，其中芯片發(fā)熱功率最高，常見 CPU 為70～300 W，是主要發(fā)熱源。因 PCB 高集成化，其發(fā)熱功率不斷提升。過高溫度對電子設備性能、可靠性、壽命等嚴重不利。 元器件溫度相關失效包括機械失效與電氣失效。機械失效是溫度變化時，結合的各種材料熱脹冷縮程度不同，造成材料變形、屈服、斷裂等。電氣失效是溫度變化導致元器件性能改變，如晶體管、芯片電阻等，進而造成熱逸潰、電過載;同時溫度過高導致電子大量遷移和原子振動加速，造成離子遷移不受控和電子轟擊原子現(xiàn)象，引發(fā)離子污染和電遷移。這將嚴重影響元器件的安全、穩(wěn)定、壽命等。 元器件散熱分為芯片級、封裝級、系統(tǒng)級，芯片級和封裝級散熱從優(yōu)化材料和制造工藝入手，降低熱阻，而系統(tǒng)級散熱是使用合適的散熱結構和冷卻技術設計符合需求的散熱系統(tǒng)，保證元器件能安全長效工作。國際半導體技術發(fā)展組織提出，系統(tǒng)級冷卻是限制芯片能量損失增長的主要原因 。這表明高性能系統(tǒng)級散熱技術的重要性。 根據(jù)是否依靠工質相變分為單相散熱和多相散熱。單相散熱包括風冷、液冷、射流、熱電制冷。其中風冷和液冷較為成熟，應用廣泛，但散熱效果一般。多相散熱包括:PCM、熱管、電潤濕、噴霧?？偟膩碚f多相散熱由于工質相變吸收大量潛熱，散熱效果更好，是重點發(fā)展方向。 02 PCB 及元器件散熱方式和特點 元器件傳熱方式可總結為從芯片導熱至封裝外殼，外殼底部通過引線、焊球等連接 PCB 銅箔，銅箔則在 PCB 平面和厚度方向傳熱。平面方向傳熱通過導熱和對流，而厚度方向導熱則要穿過基板樹脂材料，其熱導率很低，因此常設置鍍銅過孔，將 PCB 不同層銅箔連接從而提高其厚度方向的導熱性。 以圖1為例，芯片上表面連接散熱器，向下通過焊球 － 基底 － 焊球導熱至 PCB 上表面銅箔，通過對流和平面方向導熱散出部分熱量，剩余熱量通過熱過孔到達 PCB 下表面，通過散熱器散熱。
03
單相散熱技術進展
3.1 風冷 風冷分為自然對流和強制風冷，熱流密度極限約5W/cm2。自然對流散熱差但成本低，廣泛用于低熱流密度設備如電視等。強制風冷散熱強、結構簡單、可靠性強，廣泛用于 CPU、數(shù)據(jù)中心等。 研究集中于散熱翅片優(yōu)化，如 Ahmad 介紹的新型多層散熱片，多層翅片結構使邊界層突變從而強化散熱，組件平均溫度降低 6.13%。此外還有流動控制優(yōu)化，Wang提出的往復系統(tǒng)，能根據(jù)模塊溫度調(diào)節(jié)流道兩端風扇的啟停和轉速使空氣往復流動，降低了 15%的最高溫度和50%的溫差。 3.2 液冷 液冷性能好于風冷，因為液體比熱容遠大于空氣。常規(guī)液冷熱流密度達 24 W/cm2，微通道液冷熱流密度可超過 790 W/cm2。液冷包括浸沒冷卻和液冷板。 浸沒冷卻是將設備浸入導熱性強、導電性弱的冷卻劑中，已用于數(shù)據(jù)中心、基站冷卻。浸沒冷卻運行參數(shù)對冷卻效果影響很大，系統(tǒng)循環(huán)速度更快、供液溫度更低都有利于冷卻。 液冷板對封裝要求更低，可直接接觸元器件，應用場景更多。優(yōu)化通道結構能強化換熱。Jiang 發(fā)現(xiàn) V 型肋通道傳熱性能是光滑通道的 2.1倍，因為側壁邊界層被破壞形成二次流，使主流直接與壁面換熱。肋片雖能優(yōu)化傳熱，但帶來更大的流動阻力，為此 Chen采用拓撲對矩形通道冷板(RCP)和蛇形通道冷板(SCP)優(yōu)化得到TCP-RCP 和 TCP-SCP，如圖 2 所示，優(yōu)化模型減小流動阻力同時強化散熱，TCP 最高溫度分別降低 0.27%和 1.08%，溫差分別降低 19.50% 和 41.88%。
微通道是一種新型液冷板，一般嵌于金屬板，當量直徑在 10～1000 μm。由于尺寸小、散熱強、均溫性好，常用于航空航天領域。除結構優(yōu)化，調(diào)整流動分布比單純增加流量更能有效降低熱阻和能耗，如根據(jù)溫度分布調(diào)整微通道入口的算法 。
新型工質研究集中于納米流體和液體金屬。液體金屬效果更好，但需更高能耗，且有腐蝕性。而納米流體與水所需能耗相仿，是較理想的冷卻劑。John發(fā)現(xiàn) Al2O3－TiO2和Al2O3 納米流體均能提高冷板換熱性能，且混合納米流體效果更好。
3.3 射流
射流是一種高效的冷卻方法，最初用于航天發(fā)動機，后來也用于大功率芯片，熱流密度超過500 W/cm2 。駐點區(qū)射流方向變化，換熱效率很高，但遠離該區(qū)域冷卻效果迅速下降，多噴嘴結構能解決這個問題。射流冷卻研究集中于結構參數(shù)和工質。結構參數(shù)包括噴嘴直徑、陣列等。此外，沖擊面結構也會影響冷卻效果，如錐形表面比平面能提高 11%的冷卻效果。
工質方面對納米流體、液體金屬研究較多，它們比傳統(tǒng)流體有更好的性能。Selimefendigil 研究了納米顆粒形狀對射流的影響。Xiang 發(fā)現(xiàn)與水相比，采用液態(tài) Ga，熱阻最大下降 29.8%。
3.4 熱電制冷
zT體現(xiàn)材料熱電性能，一般需提高 zT，如增大電導率或減小熱導率 。將不同材料摻雜能提高熱電材料性能，如將合金摻入硅晶體形成共晶材料?？刂莆⒂^結構如晶粒尺寸和二次相也可改善合金的熱電性能。選擇合適物性配置也很重要，單純提高 α 或降低 κ 雖能提高 zT，但未必得到更好的冷卻效果。
4.1 熱管 熱管是一種傳熱能力很強的元件，熱流密度超 200 W/cm2 ，其結構緊湊、可靠性高，廣泛用于終端電子設備。熱管利用工質在真空管吸熱端蒸發(fā)與放熱端液化傳熱，管芯多孔材料產(chǎn)生毛細力維持工質循環(huán)。 電子設備一般使用超薄熱管，可緊密貼合元器件表面，包括平板熱管(UFHP) 和環(huán)形熱管(ULHP)，它們的工作原理與傳統(tǒng)熱管一樣，只是形狀和結構略有變化。UFHP 是將傳統(tǒng)圓柱形熱管沖壓成超薄平板。而 ULHP 如圖 4 所示，將液體與氣體分開在各自通道，使循環(huán)更暢通，有長距離、反重力等優(yōu)點。 平板脈動熱管(FPPHP)是一種特殊 ULHP，無需管芯，有結構簡單、微型化的特點。FPPHP在冷、熱源間形成蛇形環(huán)路，由于熱源作用，蒸發(fā)端與冷凝端壓力不穩(wěn)定引發(fā)復雜的兩相流，工質在通道內(nèi)自發(fā)振蕩實現(xiàn)傳熱。 均熱板是一種特殊的 UFHP，相比一維傳熱的熱管，均熱板在二維面上傳熱，效率更高，均溫性更好，比傳統(tǒng) UFHP 更有優(yōu)勢如圖5所示。 管芯是維持工質循環(huán)的核心，也為液 － 汽相變提供接口，因此，熱管的啟動和性能主要取決于芯結構，分為:微槽芯、燒結芯和復合芯結構。對芯的優(yōu)化主要是提高毛細力、滲透率，減輕重量以提高液體輸送效率。Zhou 開發(fā)的新型雙孔螺旋網(wǎng)芯，節(jié)約 22%銅線并結合了大孔滲透率高和小孔毛細力大的優(yōu)點。 熱管另一關鍵是工質，UFHP 工質僅填充芯體時熱阻最小，液體過多阻礙蒸汽流動。納米流體工質有更強的相變能力、流動速度、流動驅動力。 熱管作為靈活部件，常與其他散熱技術耦合得到更好效果。熱管 － PCM 最常見，此外還有均熱板 － 噴霧、熱管 － 熱電制冷等。 4.2 PCM PCM有成本低、重量輕、散熱強等優(yōu)點，利用相變潛熱穩(wěn)定元器件溫度，如PCM在功率高峰期熔化吸熱，在功率低谷期凝固放熱。PCM需提高導熱性，如微膠囊PCM，就是提高 PCM 比表面積進而增強導熱，加入納米材料、泡沫金屬或膨脹石墨能進一步改善。Baruah 在PCM膠囊中加入泡沫金屬，發(fā)現(xiàn)泡沫金屬的巨大內(nèi)表面積能提高PCM導熱。同時PCM常被用于填充散熱器，因為肋片能幫PCM導熱，PCM也能幫肋片散熱。 PCM 也常與其他散熱方法耦合。如熱管 －PCM，如圖 6 所示，熱管可提高 PCM 導熱，而 PCM作為二次冷凝器吸收熱管的部分散熱 。Mura-li 提出在 PCM 與風冷、液冷、熱管的耦合中，PCM － 熱管性能最好。 4.3 電潤濕 電濕潤能耗低、響應快，適用各類芯片。通過電極控制介電液滴移動和變形，在熱點處相變吸熱以消除局部熱點，如圖 7 所示。其散熱可達微通道水平。液滴形狀與相變情況主要影響換熱，與電場強度、頻率和溫度有關。提高電場強度和表面溫度均能促進蒸發(fā)。Enakshi提出交流電場強度越高、頻率越大，則液滴生長越快。 為促進液膜產(chǎn)生和降低摩擦力，需對液滴接觸面結構與材料優(yōu)化，如超親水納米孔涂層可促進液膜形成。此外納米顆粒能改善液滴接觸角、接觸直徑等參數(shù)，增加液滴內(nèi)部擾動，進而促進傳熱 。 4.4 噴霧 其有高散熱和大面積冷卻能力，熱流密度極限達 1200 W/cm2 。工質經(jīng)噴嘴形成微小液滴，液滴沖擊受熱面并相變吸熱。沖擊對液膜的擾動和液滴的相變，大大強化了傳熱。影響噴霧冷卻的因素分為運行參數(shù)、冷卻液特性、受熱面特性。 運行參數(shù)包括流量、液滴直徑、噴射方向等，減小液滴直徑比增大液滴速度更能促進蒸發(fā)。Su 指出:傾斜噴霧液膜覆蓋率更大，可獲得更高的傳熱系數(shù)。實際中常用多噴嘴噴霧，則噴嘴布置也是影響因素。噴嘴數(shù)越多、噴射壓力越大，冷卻速度越快。施加電場可分解液滴為比表面積更大的細液滴，從而增強傳熱。電場控制下形成不同形態(tài)的電噴霧散熱能提高2.8倍。 除納米流體外，醇 － 水混合物、表面活性劑也能改善散熱效果。醇 － 水可顯著降低液滴表面張力和接觸角;表面活性劑降低液滴表面張力并增加液滴直徑，液膜能更快變厚，利于液膜流動帶走熱量。 受熱面即表面結構優(yōu)化，如直槽結構能提高64.2%的傳熱效果 。增加表面微粗糙度，傳熱可增強約116%，而在翅片表面增加微粗糙度，傳熱能得到進一步增強。 05 PCB 及元器件散熱技術發(fā)展方向 5.1 散熱器設計 優(yōu)化翅片等結構可增強邊界層擾動以強化傳熱，但也伴隨流動阻力增加。為解決該多目標問題，提高傳熱的同時減小能耗，是研究重點。 常用正交實驗、遺傳算法、拓撲對散熱器結構、運行參數(shù)進行優(yōu)化。散熱器表面微觀結構也顯著影響沸騰冷卻中氣泡的產(chǎn)生和噴霧中液滴接觸角等。 5.2 納米顆粒應用 納米流體有高導熱性，可用于大部分冷卻技術。維持納米流體穩(wěn)定是關鍵問題，使納米流體短期穩(wěn)定的方法有超聲處理、改變pH值和添加分散劑，長期維持納米流體穩(wěn)定的方法仍需繼續(xù)探索。 納米顆粒的濃度、種類、尺寸等會影響傳熱性能和流動功耗。高濃度顆粒會強化傳熱，也會帶來更大流動阻力，還需大量實驗確定最優(yōu)參數(shù)。 納米顆粒用于熱管理材料能提高傳熱性能，與顆粒濃度、顆粒形狀有關。目前，納米顆粒加入PCM已得到廣泛研究，將納米顆粒用于熱界面、電子封裝等材料有待更多研究。 5.3 散熱技術耦合 針對應用場景，利用多種散熱技術相互輔助以達最優(yōu)效果，為未來電子冷卻發(fā)展提供新思路。傳統(tǒng)如熱管 － PCM、熱管 － 風冷、PCM － 液冷等，隨著更多散熱技術提出，耦合新技術是發(fā)展方向。熱管與 PCM 可靈活輔助其他技術，值得深入研究。 5.4 精密控制技術 高集成 PCB 及元器件易短時間產(chǎn)生大量熱量，形成局部熱點，冷卻系統(tǒng)需快速響應。根據(jù)熱點位置調(diào)整冷卻工質分配和流動是更經(jīng)濟的手段。為此需精密控制技術，如調(diào)整進液口尺寸的微通道等。電場能精確靈活控制介電液體流動，如電潤濕、噴霧等場景均有研究，未來用電場控制流動可能會得到更多應用。 5.5 PCB 設計 當前電子設備主要靠風冷，設計元器件布置可優(yōu)化散熱。如布置熱通孔以提高 PCB 縱向導熱。按元器件發(fā)熱耐熱情況沿氣流排列，高發(fā)熱耐熱元器件放下游，低發(fā)熱耐熱元器件放上游。或考慮元器件高度引起的氣流回流布置。相關結構設計與布置值得更多研究。 5.6 減振與降噪 多數(shù)情況工質是流動的，而動力裝置中流體壓力波動、渦流脫落、邊界湍流分離等產(chǎn)生的振動與噪音，不利于電子設備長效工作，因此該方面值得深入研究。如改進風扇振動，需根據(jù)流場調(diào)整出風角等以降低葉片轉速。 開發(fā)新型動力裝置如用葉片彎曲諧振的壓電葉片，不僅可減振與降噪，還滿足輕量微型的需求。 06 結論 由于 PCB 電路板及其電子元器件的高集成化、高功率化，電子設備的熱失效問題逐漸突出，并成為限制電子技術發(fā)展的關鍵。本文介紹了PCB 電路板及其電子元器件的系統(tǒng)級散熱技術，分為單相散熱技術和多相散熱技術，論述了風冷、液冷、射流、熱電制冷、熱管、PCM、電潤濕、噴霧的研究進展，現(xiàn)有研究主要從散熱結構、運行參數(shù)、材料與工質、散熱技術耦合進行優(yōu)化。最后提出了散熱器設計、納米顆粒應用、散熱技術耦合、精密控制技術、PCB 設計、減振與降噪幾個發(fā)展重點，為進一步發(fā)展提供了建議。
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