PCB 是電子設(shè)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(jiàn) 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(guò)高溫度對(duì)電子設(shè)備性能、可靠性、壽命等嚴(yán)重不利。

元器件溫度相關(guān)失效包括機(jī)械失效與電氣失效。機(jī)械失效是溫度變化時(shí)，結(jié)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(dǎo)致元器件性能改變，如晶體管、芯片電阻等，進(jìn)而造成熱逸潰、電過(guò)載;同時(shí)溫度過(guò)高導(dǎo)致電子大量遷移和原子振動(dòng)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(yán)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(jí)、封裝級(jí)、系統(tǒng)級(jí)，芯片級(jí)和封裝級(jí)散熱從優(yōu)化材料和制造工藝入手，降低熱阻，而系統(tǒng)級(jí)散熱是使用合適的散熱結(jié)構(gòu)和冷卻技術(shù)設(shè)計(jì)符合需求的散熱系統(tǒng)，保證元器件能安全長(zhǎng)效工作。國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展組織提出，系統(tǒng)級(jí)冷卻是限制芯片能量損失增長(zhǎng)的主要原因 。這表明高性能系統(tǒng)級(jí)散熱技術(shù)的重要性。

根據(jù)是否依靠工質(zhì)相變分為單相散熱和多相散熱。單相散熱包括風(fēng)冷、液冷、射流、熱電制冷。其中風(fēng)冷和液冷較為成熟，應(yīng)用廣泛，但散熱效果一般。多相散熱包括:PCM、熱管、電潤(rùn)濕、噴霧?？偟膩?lái)說(shuō)多相散熱由于工質(zhì)相變吸收大量潛熱，散熱效果更好，是重點(diǎn)發(fā)展方向。

元器件傳熱方式可總結(jié)為從芯片導(dǎo)熱至封裝外殼，外殼底部通過(guò)引線(xiàn)、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(guò)導(dǎo)熱和對(duì)流，而厚度方向?qū)釀t要穿過(guò)基板樹(shù)脂材料，其熱導(dǎo)率很低，因此常設(shè)置鍍銅過(guò)孔，將 PCB 不同層銅箔連接從而提高其厚度方向的導(dǎo)熱性。

以圖1為例，芯片上表面連接散熱器，向下通過(guò)焊球 － 基底 － 焊球?qū)嶂?PCB 上表面銅箔，通過(guò)對(duì)流和平面方向?qū)嵘⒊霾糠譄崃?，剩余熱量通過(guò)熱過(guò)孔到達(dá) PCB 下表面，通過(guò)散熱器散熱。

3.1 風(fēng)冷

風(fēng)冷分為自然對(duì)流和強(qiáng)制風(fēng)冷，熱流密度極限約5W/cm²。自然對(duì)流散熱差但成本低，廣泛用于低熱流密度設(shè)備如電視等。強(qiáng)制風(fēng)冷散熱強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)，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(jié)構(gòu)使邊界層突變從而強(qiáng)化散熱，組件平均溫度降低 6.13%。此外還有流動(dòng)控制優(yōu)化，Wang提出的往復(fù)系統(tǒng)，能根據(jù)模塊溫度調(diào)節(jié)流道兩端風(fēng)扇的啟停和轉(zhuǎn)速使空氣往復(fù)流動(dòng)，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(fēng)冷，因?yàn)橐后w比熱容遠(yuǎn)大于空氣。常規(guī)液冷熱流密度達(dá) 24 W/cm²，微通道液冷熱流密度可超過(guò) 790 W/cm²。液冷包括浸沒(méi)冷卻和液冷板。

浸沒(méi)冷卻是將設(shè)備浸入導(dǎo)熱性強(qiáng)、導(dǎo)電性弱的冷卻劑中，已用于數(shù)據(jù)中心、基站冷卻。浸沒(méi)冷卻運(yùn)行參數(shù)對(duì)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(duì)封裝要求更低，可直接接觸元器件，應(yīng)用場(chǎng)景更多。優(yōu)化通道結(jié)構(gòu)能強(qiáng)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?yàn)閭?cè)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(lái)更大的流動(dòng)阻力，為此 Chen采用拓?fù)鋵?duì)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(dòng)阻力同時(shí)強(qiáng)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%。

zT體現(xiàn)材料熱電性能，一般需提高 zT，如增大電導(dǎo)率或減小熱導(dǎo)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^(guān)結(jié)構(gòu)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(qiáng)的元件，熱流密度超 200 W/cm² ，其結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高，廣泛用于終端電子設(shè)備。熱管利用工質(zhì)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(xì)力維持工質(zhì)循環(huán)。

電子設(shè)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(jié)構(gòu)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(kāi)在各自通道，使循環(huán)更暢通，有長(zhǎng)距離、反重力等優(yōu)點(diǎn)。

平板脈動(dòng)熱管(FPPHP)是一種特殊 ULHP，無(wú)需管芯，有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、微型化的特點(diǎn)。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(fù)雜的兩相流，工質(zhì)在通道內(nèi)自發(fā)振蕩實(shí)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(shì)如圖5所示。

管芯是維持工質(zhì)循環(huán)的核心，也為液 － 汽相變提供接口，因此，熱管的啟動(dòng)和性能主要取決于芯結(jié)構(gòu)，分為:微槽芯、燒結(jié)芯和復(fù)合芯結(jié)構(gòu)。對(duì)芯的優(yōu)化主要是提高毛細(xì)力、滲透率，減輕重量以提高液體輸送效率。Zhou 開(kāi)發(fā)的新型雙孔螺旋網(wǎng)芯，節(jié)約 22%銅線(xiàn)并結(jié)合了大孔滲透率高和小孔毛細(xì)力大的優(yōu)點(diǎn)。

熱管另一關(guān)鍵是工質(zhì)，UFHP 工質(zhì)僅填充芯體時(shí)熱阻最小，液體過(guò)多阻礙蒸汽流動(dòng)。納米流體工質(zhì)有更強(qiáng)的相變能力、流動(dòng)速度、流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力。

熱管作為靈活部件，常與其他散熱技術(shù)耦合得到更好效果。熱管 － PCM 最常見(jiàn)，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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(dǎo)熱性，如微膠囊PCM，就是提高 PCM 比表面積進(jìn)而增強(qiáng)導(dǎo)熱，加入納米材料、泡沫金屬或膨脹石墨能進(jìn)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(dǎo)熱。同時(shí)PCM常被用于填充散熱器，因?yàn)槔咂軒蚉CM導(dǎo)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(dǎo)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(fēng)冷、液冷、熱管的耦合中，PCM － 熱管性能最好。

4.3 電潤(rùn)濕

電濕潤(rùn)能耗低、響應(yīng)快，適用各類(lèi)芯片。通過(guò)電極控制介電液滴移動(dòng)和變形，在熱點(diǎn)處相變吸熱以消除局部熱點(diǎn)，如圖 7 所示。其散熱可達(dá)微通道水平。液滴形狀與相變情況主要影響換熱，與電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率和溫度有關(guān)。提高電場(chǎng)強(qiáng)度和表面溫度均能促進(jìn)蒸發(fā)。Enakshi提出交流電場(chǎng)強(qiáng)度越高、頻率越大，則液滴生長(zhǎng)越快。