熱設計對電子設備的重要性

電子設備制造商規定了設備工作的最高允許溫度。如果高于這個溫度，就不保證預期性能和壽命。所以，給電子設備冷卻，使之工作在最高允許溫度以下非常重要。隨著高性能微電子設備投入市場，設備的散熱量更大，需要使用效率更高的冷卻技術來保持設備在允許溫度下工作。

電子設備工作在較低溫度下有很多好處。隨著溫度降低，微處理器的時鐘頻率增加，性能提高。另外，溫度的降低會減少前述與溫度相關的故障的概率。

在電子設備設計中，除了性能提高和可靠性增加必須要求電子設備具有良好散熱性能以外，消除噪聲、減少能量消耗、降低設備造價也需要有良好的散熱。如果設備通過某種途徑合理散熱風扇的噪聲、能量消耗和費用將會降低。特別是對于客廳和臥室的電器來說，低噪聲是一項重要指標；對于消費性電子產品來說，低造價很重要；無論是大型還是小型電器，低能量損耗都是很重要的。

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半導體電子元器件的散熱解決方案

在電子器件的高速發展過程中，電子元器件的總功率密度也不斷的增大，但是其尺寸卻越來越較小，熱流密度就會持續增加，在這種高溫的環境中勢必會影響電子元器件的性能指標，對此，必須要加強對電子元器件的熱控制。如何解決電子元器件的散熱問題是現階段的重點。對此，接下來主要對電子元器件的不同散熱方案進行簡單的介紹和分析。

（1）選擇高導熱性材料

材料性能是決定散熱好壞的重要因素，研發較高熱導率的材料是解決電子散熱的根本途徑。

（2）翅片散熱器

翅片散熱器是一種傳遞熱量的被動熱交換裝置。散熱片通常是一個金屬的部件，它可以附著在設備上，通過增加工作表面積和增強表面低溫流體的流動將熱量散發到周圍的流體中，以防止設備過熱。

（3）界面填充材料

熱界面材料（Thermal Interface Material）是用于涂敷在散熱器件與發熱器件之間，降低它們之間接觸熱阻所使用的材料的總稱。

凡是表面都會有粗糙度，所以當兩個表面接觸在一起的時候，不可能完全接觸在一起，總會有一些空氣隙夾雜在其中，而空氣的導熱系數非常之小，因此就造成了比較大的接觸熱阻。而使用熱界面材料就可以填充這個空氣隙，這樣就可以降低接觸熱阻，提高散熱性能。

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（4）熱管散熱器

熱管熱交換器（Heat Pipe Heat Exchanger）1964年誕生于美國洛斯-阿洛莫斯國家實驗室（Los Alamos ?National Laboratory）。作為一種無噪音的散熱技術，熱管散熱器于20世紀80年代開始用于電子設備的散熱，近兩年來在PC中的應用明顯加快了步伐。

熱管一種無源被動器件，工作原理是飽和液體從較高溫側吸熱汽化，飽和氣體向較低溫側放熱冷凝。由于大多數電子設備的工作溫度范圍是25-150℃，因此水熱管是最常用的。具有很高的導熱性、優良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向可逆性、可遠距離傳熱、恒溫特性（可控熱管）、熱二極管與熱開關性能等一系列優點，并且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、流體阻損小等優點。

(5) 均熱板

均熱板是一個內壁具有微細結構的真空腔體，通常由銅制成。當熱由熱源傳導至蒸發區時，腔體里的冷卻液在低真空度的環境中受熱后開始產生冷卻液的氣化現象，此時吸收熱能并且體積迅速膨脹，氣相的冷卻介質迅速充滿整個腔體，當氣相工質接觸到一個比較冷的區域時便會產生凝結的現象。借由凝結的現象釋放出在蒸發時累積的熱，凝結后的冷卻液會借由微結構的毛細管道再回到蒸發熱源處，此運作將在腔體內周而復始進行。

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（6）風扇強制對流冷卻

風冷散熱是最常見的，而且非常簡單，就是使用風扇帶走散熱器所吸收的熱量。價格相對較低，而且安裝簡單，但對環境依賴比較高，例如氣溫升高散熱性能就會大受影響。

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（7）液體強制對流冷卻

液冷是使用液體在泵的帶動下強制循環帶走散熱器的熱量，與風冷相比具有安靜、降溫穩定、對環境依賴小等等優點。但液冷的價格也相對較高，安裝也相對麻煩一些。

（8）空氣射流冷卻

射流沖擊冷卻是強迫對流傳熱方式中傳熱效率最高的方式之一，在射流沖擊中，介質一般是空氣和水，具有容易取得、成本低廉、安全無污染等優點。

射流沖擊技術的工作介質為空氣，當氣流以較高的速度沖擊電子元器件表面，并與電子元器件表面產生非常薄的氣體邊界層時，氣體與電子元器件間保持較高的對流換熱系數。

（9）熱電制冷

熱電半導體制冷利用一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成電偶對時，在這個電路中接通直流電流后，就能產生能量的轉移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端，從而產生導熱作用

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（10）相變散熱

利用物質相態變化，釋放潛熱的技術，稱為相變散熱技術。

（11）微通道散熱

微通道，也稱為微通道換熱器，就是通道當量直徑在10-1000μm的換熱器。這種換熱器的扁平管內有數十條細微流道，在扁平管的兩端與圓形集管相聯。集管內設置隔板,將換熱器流道分隔成數個流程。

微通道換熱器按外形尺寸可分為微型微通道換熱器和大尺度微通道換熱器。微型微通道換熱器是為了滿足電子工業發展的需要而設計的一類結構緊湊、輕巧、高效的換熱器,其結構形式有平板錯流式微型換熱器、燒結網式多孔微型換熱器。大尺度微通道換熱器主要應用于傳統的工業制冷、余熱利用、汽車空調、家用空調、熱泵熱水器等。其結構形式有平行流管式散熱器和三維錯流式散熱器。由于外型尺寸較大(達1.2m×4m×25.4mm),微通道水力學直徑在0.6~1mm以下,故稱為大尺度微通道換熱器。

（12）增強輻射的表面涂層材料

強化輻射傳熱有兩條途徑，一是增大有效熱輻射面積，一是提高的表面熱輻射率。提高物體表面熱輻射率的方法主要有鋁表面陽極氧化、噴漆以及噴涂輻射散熱涂料。例如：油漆，碳化硅，納米碳球，輻射散熱涂料等。

（13）液浸散熱

數據中心是耗能大戶。根據IDC，到2024年數據中心耗電量將占到全社會耗電量的5%以上。其中，散熱占到了數據中心非常大比例的電能消耗，有的甚至可以到一半以上。

為了節約散熱成本，不少國際互聯網巨頭，常常會把數據中心建在愛爾蘭這種氣候陰涼的地方。可是，如果可以服務器直接泡在液體里散熱，是不是黑科技？

利用熱交換的原理，將服務器完全浸沒在一種特殊的冷卻液里，冷卻液吸熱氣化之后，將直接吸收進入外循環冷卻，被液化之后再次用于散熱。

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早在2016年，阿里巴巴就推出了全球首臺浸沒式液冷服務器，將服務器被浸泡在特殊的絕緣冷卻液里，運算產生熱量可被直接吸收進入外循環冷卻，全程用于散熱的能耗幾乎為零。 ?

如今絕大部分數據中心還在使用風冷散熱，部分高端的設備雖然采用了冷板式的液冷，但是全浸沒的方式距離應用還有很長一段時間。

（14）電流體流動散熱

如果在尖銳電極(如金屬絲)和鈍電極(如金屬板)之間作用較大的電壓差，則會在尖銳電極附近產生的強烈電場將其附近的部分空氣分子電離。這些帶電的空氣分子在電場的作用下從尖銳電極(即電暈極)向鈍電極(即集電極)移動。隨著這些帶電空氣分子向集電極移動，它們與其他中性的空氣分子相互碰撞，向它們傳遞動量，產生向集電極的一團氣流。如果將電壓差作用在一團強制對流氣流上，如散熱器中翅片間的流動或是外掠平板流動，離子風就會扭曲邊界層，因此增加局部換熱量。已經觀察到離子風可以使低速層流流動的局部對流換熱系數增加200%以上。

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（15）兩相浸液冷卻

與單相液體冷卻相比，兩相冷卻可以實現更節能、更均勻的冷卻，更好的散熱，并減少泵送功率，而在單相液體冷卻過程中，液體始終保持液態。

（16）壓縮機制冷

壓縮式制冷器由四部分組成：壓縮機、冷凝器、蒸發器和膨脹閥。其工作過程為：低溫低壓的液態制冷劑（例如氟利昂），首先在蒸發器里從熱源吸熱并氣化，然后壓縮機抽取蒸發器里氣化后的制冷劑氣體并壓縮到冷凝器內，此時制冷劑氣體變成高溫高壓氣體。該高溫高壓氣體在冷凝器內被冷卻凝結成液體，經膨脹閥流回蒸發器，如此就完成一個制冷循環

編輯：黃飛

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