高密度組裝電子設(shè)備冷卻技術(shù)應(yīng)用研究

李曉明 張豐華 焦超鋒

摘 要：隨著電子設(shè)備組裝密度越來(lái)越高，如何處理在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，一直都是研發(fā)過(guò)程中要重點(diǎn)關(guān)注的焦點(diǎn)。本文將在傳統(tǒng)的高密度組裝電子設(shè)備冷卻技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)新型冷卻技術(shù)進(jìn)行闡述，同時(shí)對(duì)其工作原理進(jìn)行講解，為高密度組裝電子設(shè)備散熱提供多種整機(jī)解決方案。

關(guān)鍵詞：高密度組裝;電子設(shè)備;冷卻技術(shù)

一、冷卻技術(shù)簡(jiǎn)述

工業(yè)設(shè)備的散熱技術(shù)其實(shí)就是高密度組裝電子設(shè)備的冷卻技術(shù)。高密度組裝電子設(shè)備的冷卻原理就是電器散熱的原理。當(dāng)在工業(yè)的各種設(shè)備運(yùn)行時(shí)溫度過(guò)高就必然通過(guò)降低自己的性能來(lái)維護(hù)和保護(hù)自己。伴隨著工業(yè)科技的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化的組裝的密度也變得越來(lái)越緊密。這也就說(shuō)明了在生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備的溫度會(huì)隨著生產(chǎn)作業(yè)時(shí)上升，如果不及時(shí)對(duì)上升的溫度采取措施，電子設(shè)備久而久之必定會(huì)因此遭到一定損傷。高密度組裝電子設(shè)備的冷卻技術(shù)可以及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行降溫，不僅可以保證設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行，還可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。在電子設(shè)備設(shè)計(jì)階段就可以根據(jù)電子設(shè)備的自身特點(diǎn)和發(fā)熱元件的類型、發(fā)熱量、工作環(huán)境等因素進(jìn)行綜合分析，并確定采用哪種冷卻方式。

二、現(xiàn)階段面臨的冷卻技術(shù)問(wèn)題

電子設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱量，如何降低設(shè)備產(chǎn)生的熱量，以及及時(shí)對(duì)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行發(fā)散的冷卻技術(shù)是本文的主要研究目的。其目標(biāo)是對(duì)電子設(shè)備內(nèi)部，所有元件的溫度進(jìn)行控制，使得電子設(shè)備在特定的環(huán)境下不能超過(guò)其最高允許工作溫度，保持穩(wěn)定高效的運(yùn)行。由于高密度組裝電子設(shè)備芯片密度高、熱量比較集中、工作環(huán)境惡劣，再加上元器件成本和選擇等因素的影響，很多的工業(yè)檔器件在惡劣環(huán)境中使用，因此冷卻系統(tǒng)也變得簡(jiǎn)陋，所以如今的冷卻技術(shù)面臨的問(wèn)題更加嚴(yán)峻苛刻。

三、高密度組裝電子設(shè)備的冷卻技術(shù)

（1）側(cè)壁液冷技術(shù)。側(cè)壁液冷技術(shù)就在高密度組裝電子設(shè)備的機(jī)柜側(cè)壁設(shè)計(jì)液冷通道，同時(shí)，對(duì)側(cè)壁通冷卻液，通過(guò)熱交換，使得機(jī)柜側(cè)壁保持一個(gè)較低的溫度。電子設(shè)備芯片產(chǎn)生的熱量通過(guò)內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)件殼體傳導(dǎo)至側(cè)壁，側(cè)壁內(nèi)部的冷卻液吸收熱量后將熱量帶出到電子設(shè)備的外部，其工作原理如圖1所示。冷卻液一般為水、65號(hào)冷卻液、煤油等，這些材料具有很好的流動(dòng)性和較大的熱熔，在流動(dòng)過(guò)程中可以大量吸收電子設(shè)備機(jī)柜側(cè)壁的熱量，同時(shí)將熱量帶出電子設(shè)備外，從而為電子設(shè)備提供一個(gè)很好的工作環(huán)境。

（2）貫通式液冷技術(shù)。貫通式液冷技術(shù)就是將液冷通道設(shè)計(jì)至高密度組裝電子設(shè)備模塊結(jié)構(gòu)殼體內(nèi)部，對(duì)殼體通冷卻液，通過(guò)熱交換，使得模塊結(jié)構(gòu)殼體保持較低的溫度。電子設(shè)備芯片產(chǎn)生熱量通過(guò)界面材料傳導(dǎo)至模塊結(jié)構(gòu)殼體，再通過(guò)散熱殼體傳導(dǎo)至冷卻液中，冷卻液吸收熱量后將熱量帶出到電子設(shè)備外部，其工作原理如圖2所示。冷卻液一般同側(cè)壁液冷使用的材料相同。在通液過(guò)程中，可以大量吸收模塊結(jié)構(gòu)殼體的熱量，同時(shí)將熱量帶出電子設(shè)備外，從而為芯片提供一個(gè)很好的工作環(huán)境。相對(duì)于側(cè)壁液冷技術(shù)，貫通液冷技術(shù)可以帶走更多的熱量。

（3）微通道冷卻技術(shù)。一般情況下，把當(dāng)量直徑大于1mm以上的通道叫作普通通道，把當(dāng)量直徑小于1mm以下的通道叫做微通道，上述的側(cè)壁液冷技術(shù)與貫通式液冷技術(shù)中液冷通道為均為普通通道。與普通通道相比，微通道最大優(yōu)勢(shì)為：換熱面積大，換熱效率高。微通道冷卻技術(shù)在高密度組裝電子設(shè)備模塊集中發(fā)熱的區(qū)域?qū)鹘y(tǒng)的流體通道設(shè)計(jì)成微通道，就可以解決局部功耗大的芯片的散熱問(wèn)題。

（4）相變冷卻技術(shù)。相變冷卻技術(shù)是利用相變材料由固態(tài)融化為液態(tài)甚至氣態(tài)過(guò)程中大量吸收熱量的原理，從而在一定時(shí)間內(nèi)延緩高密度組裝電子設(shè)備中的芯片溫度上升，從而使得電子設(shè)備在一定時(shí)間內(nèi)可以正常工作。相變材料一般具有融化潛熱高、比熱容高、導(dǎo)熱系數(shù)高、無(wú)腐蝕等特點(diǎn)。

（5）高導(dǎo)熱低熱阻界面材料。對(duì)高導(dǎo)熱低熱阻界面的材料進(jìn)行分析，具有非常重要的作用，不僅可以有效傳遞芯片運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，同時(shí)這種材料還可以最大限度的減少接觸熱阻。對(duì)其工作原理進(jìn)行分析，主要目的在于可以為熱源在散熱過(guò)程中，提供良好的散熱的路徑。高導(dǎo)熱低熱阻界面材料主要是由硅脂、硅膠、相變化材料、相變化金屬等組成，這些材料導(dǎo)熱系數(shù)很高，并且很軟，所以通過(guò)在元件和冷板之間安裝這種材料可以有效提高高電子設(shè)備導(dǎo)熱效率和降低熱阻，從而保障電子設(shè)備的正常運(yùn)行。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高密度組裝電子設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中必須及時(shí)進(jìn)行冷卻，可通過(guò)降低熱耗和選擇有效散熱方式來(lái)控制局部熱點(diǎn)。文中對(duì)幾種新型散熱方式的原理進(jìn)行了詳細(xì)的論述，在散熱方式設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)，采用不同的冷卻方式來(lái)保障設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也可通過(guò)增加高導(dǎo)熱低熱阻界面材料等方式降低通路熱阻，從而確保電子設(shè)備高可靠運(yùn)行，延長(zhǎng)使用壽命，降低運(yùn)營(yíng)成本。

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