引言

電子產(chǎn)品的發(fā)展有兩大趨勢(shì)，一是社會(huì)發(fā)展要求其有更復(fù)雜的功能、更高的運(yùn)算速率，二是人們要求電子產(chǎn)品日益集成化、微型化，這就導(dǎo)致電子產(chǎn)品在發(fā)熱功率增大的同時(shí)，其散熱面積大為減少，致使電子器件的熱流密度急劇增加。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，自1970年以來(lái)，半導(dǎo)體晶體管的性能和密度每隔18個(gè)月就翻1番，其發(fā)展速率與摩爾定律的預(yù)測(cè)相一致。電子器件的散熱量和散熱密度也隨之大幅升高，根據(jù)摩爾定律，未來(lái)芯片的熱流密度可達(dá)300 W/cm2，電子設(shè)備的散熱問(wèn)題已成為制約電子工業(yè)發(fā)展的瓶頸，電子器件散熱技術(shù)面臨空前挑戰(zhàn)。

1.電子器件的散熱方式

電子器件的散熱管理是對(duì)電子設(shè)備的運(yùn)行溫度進(jìn)行控制，以保證設(shè)備工作的穩(wěn)定性和可靠性。電子器件散熱方式分為主動(dòng)散熱方式和被動(dòng)散熱方式，常見(jiàn)的主動(dòng)散熱方式有風(fēng)冷、液冷和熱電致冷等，被動(dòng)散熱方式有自然對(duì)流散熱、熱管散熱和相變儲(chǔ)熱等。

主動(dòng)散熱方式中，風(fēng)冷最常使用的形式是以散熱器搭配風(fēng)扇構(gòu)成散熱組件，該方法結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)便，散熱效果明顯，但其受外形尺寸和重量的限制，所提供的風(fēng)量有限，一般情況下，在熱流密度小于1W/cm2時(shí)，可采用空氣強(qiáng)制對(duì)流散熱。液體冷卻散熱系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備量大，成本較高，但其散熱效率高，可承受的熱流密度大，適合熱流密度較高的場(chǎng)合，如在高性能超級(jí)電子計(jì)算機(jī)、軍用航空電子等設(shè)備中。熱電制冷無(wú)需制冷劑，沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，無(wú)噪聲，體積小，可靠性強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間很快，但主要缺點(diǎn)是效率較低、成本高，只適用于體積緊湊、制冷要求不高等特殊場(chǎng)合。

被動(dòng)散熱方式中，自然散熱適用于對(duì)熱流密度不大、溫度控制要求不高的器件進(jìn)行冷卻，當(dāng)電子器件的熱流密度超過(guò)0.8 W/cm2時(shí)，自然冷卻已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足電子器件的散熱控溫要求。熱管散熱主要是利用相變介質(zhì)在熱管的蒸發(fā)段和冷凝段不斷汽化吸熱以及冷凝放熱避免熱量在器件發(fā)熱部位的堆積。電子器件的相變材料熱管理是指利用相變材料巨大的相變潛熱，吸收電子器件工作時(shí)散發(fā)的熱量，從而維持電子器件的工作溫度在儲(chǔ)熱材料的相變溫度附近，確保電子器件安全穩(wěn)定地工作，延長(zhǎng)電子器件的使用壽命。

2.相變材料的簡(jiǎn)介

應(yīng)用相變材料的散熱系統(tǒng)的原理是：當(dāng)電子器件表面溫度上升到相變材料的相變溫度時(shí)，相變材料吸熱發(fā)生相變，利用相變材料的相變潛熱來(lái)吸收電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量，因?yàn)橄嘧冞^(guò)程近似恒溫，電子設(shè)備可以在短時(shí)間內(nèi)維持溫度恒定，或維持在規(guī)定溫度范圍內(nèi)。相變材料按照化學(xué)組成成分分類(lèi)，可分為有機(jī)相變材料、無(wú)機(jī)相變材料和共熔物相變材料。有機(jī)相變材料主要包括石蠟、醇類(lèi)、脂肪酸類(lèi)等;無(wú)機(jī)相變材料主要包括結(jié)晶水合鹽、熔融鹽、金屬或合金類(lèi)等;共熔物相變材料是由兩種或兩種以上的相變材料組成的，每種組分同時(shí)的融化和結(jié)晶，相變溫度和焓值可以通過(guò)調(diào)節(jié)組分的含量獲得。

目前研究應(yīng)用最廣泛的為有機(jī)石蠟類(lèi)相變材料，用于電子元件散熱中的相變冷板中的石蠟相變溫度范圍通常為60~90℃，焓值為220~260J/g，以滿(mǎn)足高熱流密度芯片的控溫需求，其相對(duì)于無(wú)機(jī)相變材料和共熔物相變材料優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)無(wú)過(guò)冷現(xiàn)象;

(2)無(wú)相分離現(xiàn)象;

(3)無(wú)腐蝕性，與結(jié)構(gòu)件相容性好;

(4)化學(xué)性能穩(wěn)定，熱可靠性高。

雖然石蠟作為有機(jī)相變材料有諸多優(yōu)點(diǎn)，但它同時(shí)也存在熱導(dǎo)率較低(約為0.3 W/(m·K))的缺點(diǎn)。提高石蠟熱導(dǎo)率的方法主要有以下幾種：

(1)在石蠟相變材料中嵌入金屬翅片、添加金屬粉末和金屬泡沫等擴(kuò)大散熱面積，提高熱導(dǎo)率，強(qiáng)化傳熱性能;

(2)將石蠟與膨脹石墨復(fù)合或添加高導(dǎo)熱的碳納米管、碳纖維等材料增強(qiáng)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性。

基于此，長(zhǎng)盈通熱控公司率先基于固液相變材料開(kāi)發(fā)新型高導(dǎo)熱高儲(chǔ)熱密度的固固相變材料，相變過(guò)程在宏觀(guān)上無(wú)液相產(chǎn)生，可加工成不同厚度和形狀(如圖1)，同時(shí)熱導(dǎo)率范圍在5~30W/(m·K)可調(diào)。

圖1 相變材料的成形過(guò)程

3.相變材料在電子器件中的應(yīng)用

相變材料溫控器件主要以相變冷板的形式與發(fā)熱器件組裝起來(lái)中，當(dāng)發(fā)熱器件工作產(chǎn)生熱量時(shí)，相變冷板發(fā)揮作用進(jìn)行儲(chǔ)熱控溫，兩種應(yīng)用典型是TR組件薄壁冷板和信號(hào)處理冷板。

TR組件是相控陣?yán)走_(dá)天線(xiàn)的主要發(fā)熱組件，相控陣?yán)走_(dá)的熱控問(wèn)題主要指TR組件熱控問(wèn)題。TR組件相變冷板(見(jiàn)圖3)一般采用與結(jié)構(gòu)支架一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，即結(jié)構(gòu)功能一體化。創(chuàng)新的加工、填充及密封技術(shù)，滿(mǎn)足大面積薄壁結(jié)構(gòu)TR組件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。高焓值相變材料，大大降低TR組件最高溫度，對(duì)電子器件起到很好的保護(hù)作用。

信號(hào)處理系統(tǒng)，熱流密度大，空間緊湊，熱控問(wèn)題突出。相變冷板(見(jiàn)圖4)一般采用與信號(hào)處理部分“分體式”設(shè)計(jì)技術(shù)，即散熱和功能分體式。相變冷板填充高焓值相變材料，內(nèi)部含有強(qiáng)化傳熱的翅片，滿(mǎn)足一定時(shí)間內(nèi)、一定功率下的散熱要求。相變冷板和信號(hào)處理板之間采用導(dǎo)熱墊片、硅脂、可回彈導(dǎo)熱墊片等熱界面材料連接。

4.結(jié)束語(yǔ)

相變溫控技術(shù)作為新一代無(wú)源冷卻技術(shù)，有望解決高熱流密度電子元器件散熱難題?；谙嘧儾牧系臏乜叵到y(tǒng)，必須發(fā)展一套相變材料-散熱器-系統(tǒng)一體化的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，從材料出發(fā)，以散熱器為核心裝置，以電子器件工作性能最優(yōu)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)高效溫控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。未來(lái)需要繼續(xù)攻克超高熱導(dǎo)率和超高儲(chǔ)熱密度相變材料的開(kāi)發(fā)，構(gòu)建相變溫控材料與結(jié)構(gòu)傳熱模型及設(shè)計(jì)工具，實(shí)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，依據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果，通過(guò)3D打印、機(jī)械加工等方式，開(kāi)展典型相變控溫結(jié)構(gòu)樣件研制與實(shí)況下相變控溫結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。

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