摘要:針對電子設(shè)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(shù)分為單相散熱和多相散熱,指出各種散熱技術(shù)的熱流密度范圍,從散熱結(jié)構(gòu)、運行參數(shù)、材料與工質(zhì)、散熱技術(shù)耦合等角度論述了各種散熱技術(shù)的研究進展。提出了散熱器設(shè)計、納米顆粒應(yīng)用、散熱技術(shù)耦合、精密控制技術(shù)、PCB設(shè)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(shù)進一步發(fā)展提供了建議。
01
引言
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 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(shè)備性能、可靠性、壽命等嚴(yán)重不利。 元器件溫度相關(guān)失效包括機械失效與電氣失效。機械失效是溫度變化時,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,進而造成熱逸潰、電過載;同時溫度過高導(dǎo)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(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、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(jié)構(gòu)和冷卻技術(shù)設(shè)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(dǎo)體技術(shù)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(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、電潤濕、噴霧??偟膩碚f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(jié)為從芯片導(dǎo)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(dǎo)熱和對流,而厚度方向?qū)釀t要穿過基板樹脂材料,其熱導(dǎo)率很低,因此常設(shè)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(dǎo)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?qū)嶂?PCB 上表面銅箔,通過對流和平面方向?qū)嵘⒊霾糠譄崃?,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(shù)進展
3.1 風(fēng)冷 風(fēng)冷分為自然對流和強制風(fēng)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(shè)備如電視等。強制風(fēng)冷散熱強、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(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,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(shè)備浸入導(dǎo)熱性強、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(yīng)用場景更多。優(yōu)化通道結(jié)構(gòu)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(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(dāng)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(lǐng)域。除結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)能解決這個問題。射流冷卻研究集中于結(jié)構(gòu)參數(shù)和工質(zhì)。結(jié)構(gòu)參數(shù)包括噴嘴直徑、陣列等。此外,沖擊面結(jié)構(gòu)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(zhì)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(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^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(jié)構(gòu)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(fù)雜的兩相流,工質(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu),分為:微槽芯、燒結(jié)芯和復(fù)合芯結(jié)構(gòu)。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(jié)合了大孔滲透率高和小孔毛細力大的優(yōu)點。 熱管另一關(guān)鍵是工質(zhì),UFHP 工質(zhì)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(zhì)有更強的相變能力、流動速度、流動驅(qū)動力。 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,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(dǎo)熱性,如微膠囊PCM,就是提高 PCM 比表面積進而增強導(dǎo)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(dǎo)熱。同時PCM常被用于填充散熱器,因為肋片能幫PCM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 電潤濕 電濕潤能耗低、響應(yīng)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(guān)。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(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)優(yōu)化,如直槽結(jié)構(gòu)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(shù)發(fā)展方向 5.1 散熱器設(shè)計 優(yōu)化翅片等結(jié)構(gòu)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(biāo)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(jié)構(gòu)、運行參數(shù)進行優(yōu)化。散熱器表面微觀結(jié)構(gòu)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(yīng)用 納米流體有高導(dǎo)熱性,可用于大部分冷卻技術(shù)。維持納米流體穩(wěn)定是關(guān)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(guān)。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(shù)耦合 針對應(yīng)用場景,利用多種散熱技術(shù)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(fēng)冷、PCM - 液冷等,隨著更多散熱技術(shù)提出,耦合新技術(shù)是發(fā)展方向。熱管與 PCM 可靈活輔助其他技術(shù),值得深入研究。 5.4 精密控制技術(shù) 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(yīng)。根據(jù)熱點位置調(diào)整冷卻工質(zhì)分配和流動是更經(jīng)濟的手段。為此需精密控制技術(shù),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(yīng)用。 5.5 PCB 設(shè)計 當(dāng)前電子設(shè)備主要靠風(fēng)冷,設(shè)計元器件布置可優(yōu)化散熱。如布置熱通孔以提高 PCB 縱向?qū)?。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?;蚩紤]元器件高度引起的氣流回流布置。相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計與布置值得更多研究。 5.6 減振與降噪 多數(shù)情況工質(zhì)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(shè)備長效工作,因此該方面值得深入研究。如改進風(fēng)扇振動,需根據(jù)流場調(diào)整出風(fēng)角等以降低葉片轉(zhuǎn)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(jié)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(shè)備的熱失效問題逐漸突出,并成為限制電子技術(shù)發(fā)展的關(guān)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(shù),分為單相散熱技術(shù)和多相散熱技術(shù),論述了風(fēng)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(jié)構(gòu)、運行參數(shù)、材料與工質(zhì)、散熱技術(shù)耦合進行優(yōu)化。最后提出了散熱器設(shè)計、納米顆粒應(yīng)用、散熱技術(shù)耦合、精密控制技術(shù)、PCB 設(shè)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。