高密度組裝電子設備冷卻技術應用研究

李曉明 張豐華 焦超鋒

摘 要：隨著電子設備組裝密度越來越高，如何處理在運行過程中產生的熱量，一直都是研發(fā)過程中要重點關注的焦點。本文將在傳統(tǒng)的高密度組裝電子設備冷卻技術的基礎上，對新型冷卻技術進行闡述，同時對其工作原理進行講解，為高密度組裝電子設備散熱提供多種整機解決方案。

關鍵詞：高密度組裝;電子設備;冷卻技術

一、冷卻技術簡述

工業(yè)設備的散熱技術其實就是高密度組裝電子設備的冷卻技術。高密度組裝電子設備的冷卻原理就是電器散熱的原理。當在工業(yè)的各種設備運行時溫度過高就必然通過降低自己的性能來維護和保護自己。伴隨著工業(yè)科技的發(fā)展，工業(yè)自動化的組裝的密度也變得越來越緊密。這也就說明了在生產過程中設備的溫度會隨著生產作業(yè)時上升，如果不及時對上升的溫度采取措施，電子設備久而久之必定會因此遭到一定損傷。高密度組裝電子設備的冷卻技術可以及時對設備進行降溫，不僅可以保證設備平穩(wěn)運行，還可以延長設備的使用壽命。在電子設備設計階段就可以根據(jù)電子設備的自身特點和發(fā)熱元件的類型、發(fā)熱量、工作環(huán)境等因素進行綜合分析，并確定采用哪種冷卻方式。

二、現(xiàn)階段面臨的冷卻技術問題

電子設備進行生產運行時就會產生熱量，如何降低設備產生的熱量，以及及時對產生的熱量進行發(fā)散的冷卻技術是本文的主要研究目的。其目標是對電子設備內部，所有元件的溫度進行控制，使得電子設備在特定的環(huán)境下不能超過其最高允許工作溫度，保持穩(wěn)定高效的運行。由于高密度組裝電子設備芯片密度高、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)也變得簡陋，所以如今的冷卻技術面臨的問題更加嚴峻苛刻。

三、高密度組裝電子設備的冷卻技術

（1）側壁液冷技術。側壁液冷技術就在高密度組裝電子設備的機柜側壁設計液冷通道，同時，對側壁通冷卻液，通過熱交換，使得機柜側壁保持一個較低的溫度。電子設備芯片產生的熱量通過內部模塊結構件殼體傳導至側壁，側壁內部的冷卻液吸收熱量后將熱量帶出到電子設備的外部，其工作原理如圖1所示。冷卻液一般為水、65號冷卻液、煤油等，這些材料具有很好的流動性和較大的熱熔，在流動過程中可以大量吸收電子設備機柜側壁的熱量，同時將熱量帶出電子設備外，從而為電子設備提供一個很好的工作環(huán)境。

（2）貫通式液冷技術。貫通式液冷技術就是將液冷通道設計至高密度組裝電子設備模塊結構殼體內部，對殼體通冷卻液，通過熱交換，使得模塊結構殼體保持較低的溫度。電子設備芯片產生熱量通過界面材料傳導至模塊結構殼體，再通過散熱殼體傳導至冷卻液中，冷卻液吸收熱量后將熱量帶出到電子設備外部，其工作原理如圖2所示。冷卻液一般同側壁液冷使用的材料相同。在通液過程中，可以大量吸收模塊結構殼體的熱量，同時將熱量帶出電子設備外，從而為芯片提供一個很好的工作環(huán)境。相對于側壁液冷技術，貫通液冷技術可以帶走更多的熱量。

（3）微通道冷卻技術。一般情況下，把當量直徑大于1mm以上的通道叫作普通通道，把當量直徑小于1mm以下的通道叫做微通道，上述的側壁液冷技術與貫通式液冷技術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)勢為：換熱面積大，換熱效率高。微通道冷卻技術在高密度組裝電子設備模塊集中發(fā)熱的區(qū)域將傳統(tǒng)的流體通道設計成微通道，就可以解決局部功耗大的芯片的散熱問題。

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

（5）高導熱低熱阻界面材料。對高導熱低熱阻界面的材料進行分析，具有非常重要的作用，不僅可以有效傳遞芯片運行過程中產生的熱量，同時這種材料還可以最大限度的減少接觸熱阻。對其工作原理進行分析，主要目的在于可以為熱源在散熱過程中，提供良好的散熱的路徑。高導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，這些材料導熱系數(shù)很高，并且很軟，所以通過在元件和冷板之間安裝這種材料可以有效提高高電子設備導熱效率和降低熱阻，從而保障電子設備的正常運行。

四、結語

綜上所述，高密度組裝電子設備在運行過程中必須及時進行冷卻，可通過降低熱耗和選擇有效散熱方式來控制局部熱點。文中對幾種新型散熱方式的原理進行了詳細的論述，在散熱方式設計時，應根據(jù)設備特點，采用不同的冷卻方式來保障設備的正常運轉，同時也可通過增加高導熱低熱阻界面材料等方式降低通路熱阻，從而確保電子設備高可靠運行，延長使用壽命，降低運營成本。

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