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科研创新
浅谈相变材料在电子器件散热中的应用
2023-02-15 2696次
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引言

电子产品的发展有两大趋势,一是社会发展要求其有更复杂的功能、更高的运算速率,二是人们要求电子产品日益集成化、微型化,这就导致电子产品在发热功率增大的同时,其散热面积大为减少,致使电子器件的热流密度急剧增加。统计数据表明,自1970年以来,半导体晶体管的性能和密度每隔18个月就翻1番,其发展速率与摩尔定律的预测相一致。电子器件的散热量和散热密度也随之大幅升高,根据摩尔定律,未来芯片的热流密度可达300 W/cm2,电子设备的散热问题已成为制约电子工业发展的瓶颈,电子器件散热技术面临空前挑战。

1.电子器件的散热方式

电子器件的散热管理是对电子设备的运行温度进行控制,以保证设备工作的稳定性和可靠性。电子器件散热方式分为主动散热方式和被动散热方式,常见的主动散热方式有风冷、液冷和热电致冷等,被动散热方式有自然对流散热、热管散热和相变储热等。

主动散热方式中,风冷最常使用的形式是以散热器搭配风扇构成散热组件,该方法结构紧凑,操作简便,散热效果明显,但其受外形尺寸和重量的限制,所提供的风量有限,一般情况下,在热流密度小于1W/cm2时,可采用空气强制对流散热。液体冷却散热系统相对复杂,设备量大,成本较高,但其散热效率高,可承受的热流密度大,适合热流密度较高的场合,如在高性能超级电子计算机、军用航空电子等设备中。热电制冷无需制冷剂,没有机械运动,无噪声,体积小,可靠性强,响应时间很快,但主要缺点是效率较低、成本高,只适用于体积紧凑、制冷要求不高等特殊场合。

被动散热方式中,自然散热适用于对热流密度不大、温度控制要求不高的器件进行冷却,当电子器件的热流密度超过0.8 W/cm2时,自然冷却已经无法满足电子器件的散热控温要求。热管散热主要是利用相变介质在热管的蒸发段和冷凝段不断汽化吸热以及冷凝放热避免热量在器件发热部位的堆积。电子器件的相变材料热管理是指利用相变材料巨大的相变潜热,吸收电子器件工作时散发的热量,从而维持电子器件的工作温度在储热材料的相变温度附近,确保电子器件安全稳定地工作,延长电子器件的使用寿命。

2.相变材料的简介

应用相变材料的散热系统的原理是:当电子器件表面温度上升到相变材料的相变温度时,相变材料吸热发生相变,利用相变材料的相变潜热来吸收电子设备产生的热量,因为相变过程近似恒温,电子设备可以在短时间内维持温度恒定,或维持在规定温度范围内。相变材料按照化学组成成分分类,可分为有机相变材料、无机相变材料和共熔物相变材料。有机相变材料主要包括石蜡、醇类、脂肪酸类等;无机相变材料主要包括结晶水合盐、熔融盐、金属或合金类等;共熔物相变材料是由两种或两种以上的相变材料组成的,每种组分同时的融化和结晶,相变温度和焓值可以通过调节组分的含量获得。

目前研究应用最广泛的为有机石蜡类相变材料,用于电子元件散热中的相变冷板中的石蜡相变温度范围通常为60~90℃,焓值为220~260J/g,以满足高热流密度芯片的控温需求,其相对于无机相变材料和共熔物相变材料优点如下:

(1)无过冷现象;

(2)无相分离现象;

(3)无腐蚀性,与结构件相容性好;

(4)化学性能稳定,热可靠性高。

虽然石蜡作为有机相变材料有诸多优点,但它同时也存在热导率较低(约为0.3 W/(m·K))的缺点。提高石蜡热导率的方法主要有以下几种:

(1)在石蜡相变材料中嵌入金属翅片、添加金属粉末和金属泡沫等扩大散热面积,提高热导率,强化传热性能;

(2)将石蜡与膨胀石墨复合或添加高导热的碳纳米管、碳纤维等材料增强复合材料的导热性。

基于此,长盈通热控公司率先基于固液相变材料开发新型高导热高储热密度的固固相变材料,相变过程在宏观上无液相产生,可加工成不同厚度和形状(如图1),同时热导率范围在5~30W/(m·K)可调。

图1 相变材料的成形过程

3.相变材料在电子器件中的应用

相变材料温控器件主要以相变冷板的形式与发热器件组装起来中,当发热器件工作产生热量时,相变冷板发挥作用进行储热控温,两种应用典型是TR组件薄壁冷板和信号处理冷板。

TR组件是相控阵雷达天线的主要发热组件,相控阵雷达的热控问题主要指TR组件热控问题。TR组件相变冷板(见图3)一般采用与结构支架一体化设计技术,即结构功能一体化。创新的加工、填充及密封技术,满足大面积薄壁结构TR组件的结构强度。高焓值相变材料,大大降低TR组件最高温度,对电子器件起到很好的保护作用。

信号处理系统,热流密度大,空间紧凑,热控问题突出。相变冷板(见图4)一般采用与信号处理部分“分体式”设计技术,即散热和功能分体式。相变冷板填充高焓值相变材料,内部含有强化传热的翅片,满足一定时间内、一定功率下的散热要求。相变冷板和信号处理板之间采用导热垫片、硅脂、可回弹导热垫片等热界面材料连接。

4.结束语

相变温控技术作为新一代无源冷却技术,有望解决高热流密度电子元器件散热难题。基于相变材料的温控系统,必须发展一套相变材料-散热器-系统一体化的设计优化方法,从材料出发,以散热器为核心装置,以电子器件工作性能最优为目标,实现高效温控系统的开发。未来需要继续攻克超高热导率和超高储热密度相变材料的开发,构建相变温控材料与结构传热模型及设计工具,实现热管理系统的设计优化,依据仿真优化结果,通过3D打印、机械加工等方式,开展典型相变控温结构样件研制与实况下相变控温结构试验。

 

参考文献:

[1] MAHAJAN R. Emerging Directions for Packaging Technologies [J]. Intel Technology Journal, 2002, 6(1):61-74。

[2] 马永锡,张红. 电子器件发热与冷却技术 [J]. 化工进展,2006,25(6):670-674。

[3] 李斌,陶文铨,何雅玲. 电子器件空气强制对流冷却研究 [J]. 西安交通大学学报,2006,40(11):1241-1245.

[4] 张建臣. CPU风冷散热器散热性能分析与研究 [J]. 福建电脑,2008(2):69-75.

[5] 周建辉,杨春信,鲁俊勇. CPU空气强迫对流冷却系统设计 [J]. 电子学报,2007,35(8):1592-1597.

[6] 张正国,文磊,方晓明,邵刚,黄弋峰. 复合相变储热材料的研究与发展 [J]. 化工进展,2003,22(4):462-465.

[7] 周四丽,张正国,方晓明. 固-固相变储热材料的研究进展 [J]. 化工进展,2021,40(3):1371-1383.

[8] 王子君. 星载四通道TR组件散热研究 [J]. 集成电路应用,2021,38(06):4-5.