电子器件的散热技术及其计算方法

翁建华，舒宏坤，崔晓钰

（1.上海电力学院能源与机械工程学院，上海　200090；2.上海理工大学能源与动力工程学院，上海　200093）

电子器件的散热技术及其计算方法

翁建华1，舒宏坤1，崔晓钰2

（1.上海电力学院能源与机械工程学院，上海200090；2.上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093）

介绍了电子器件散热中常用的部件，包括热管、散热器、微型风扇等，以及为满足不断提高的热流密度而出现的新型散热部件，如振荡热管、微槽道散热器等。同时，结合电子器件散热特点，总结了散热计算的一些方法。这些计算方法是进行产品热设计和热分析的重要工具。

电子器件；热设计；散热；计算方法

0　引言

电子器件的散热方式有导热、对流和辐射，而对流又分为自然对流和强制对流。按散热所使用的介质，又可分为气体散热和液体散热；按是否使用运动部件，散热又有被动和主动之分。比如，室内照明用大功率LED主要通过空气自然对流、被动方式进行散热，而微型和小型计算机CPU则主要通过空气冷却、主动方式进行散热［1，2］。随着电子技术的快速发展，电子元器件的集成度越来越高，热流密度越来越大，散热问题也越来越突出。因此，电子器件的散热问题也越来越引起产品设计人员的重视。本文介绍电子产品常用的散热部件及其发展、以及散热问题的一些计算方法，供设计人员参考。

1　散热技术

电子器件散热常用部件主要有热管、散热器、微型风扇等，近年来又出现了一些新型散热部件和散热材料，如振荡热管、平板型热管、石墨材料、微槽道等，以满足高热流密度电子元器件散热的需要。

1.1热管

普通热管由管壳、吸液芯等组成，管内充有适量的工作介质。热管内的工作介质在蒸发段吸收热量，由液态蒸发为汽态，在管的冷凝段释放热量，由汽态凝结为液态，再由吸液芯回流至蒸发段，热量就由热管的一侧传递至另一侧［3］。热管是一种高效的传热元件，其传热热阻很低，如用于某型号笔记本电脑的热管其传热热阻仅为0.016K/W。

振荡热管又称脉动热管，由小管径蛇形弯管及弯管内的工作介质组成，并有回路型（looped）振荡热管和开式（unlooped）振荡热管之分。图1为回路型振荡热管示意图。热管在加热段吸收热量，在冷却段释放热量，并在管内形成交替出现的液塞和汽泡，以维持管内流体的流动［4］。振荡热管要求管子直径较小，内径在0.5～3mm之间，且有多个弯头［5］。振荡热管的优点是结构简单，无需吸液芯即可使工质在管内循环，制作成本低，适应性好，可灵活布置。目前在启动特性、管内工质以及电子器件散热应用方面都有较多研究［6，7］。

1.2散热器

普通散热器有若干肋片组成，散热器与电子器件之间直接或通过热管等方式间接相连接，散热器的材质一般选用导热性能好的铜或铝。电子器件产生的热量最终通过散热器散失到周围环境中。为满足高热流密度电子器件的散热，近年来出现了水力直径小于几百微米的微槽道散热器［8，9］。微槽道基板材料可以是导热性能良好的金属材料，也可以是半导体材料，如铜和硅。在以水为介质，槽宽50μm的微槽道热沉上，可实现热流密度达790W/cm2的散热［10］。对微槽道散热技术，包括微槽道内的流动与换热特性、微槽道的结构型式以及加工工艺等目前国内外都有大量的研究［11～13］。

图1　回路型振荡热管Fig.1 Looped pulsating heat pipe（PHP）

1.3微型风扇

在进行空气强制对流散热时，离不开微型风扇。微型风扇的特点之一是尺寸小，如用于散热的某型号微型风扇，其外壳厚度5mm，出口宽度40mm，叶轮直径仅为18.3mm。这是由于电子产品体积小，留给散热用的空间十分有限。另外，微型风扇还具有流量小、压力低等特点。

1.4导热填料

从微观上看，固体间的接触存在间隙。这些间隙通常被气体所填充，由此产生接触热阻。影响接触热阻的因素包括固体间压力的大小、固体表面平整度、温度等［14］。为减小固体间的接触热阻，可在两固体表面间填充导热填料。导热填料可以是金属如铝箔、铟箔，也可以是导热膏等。固体表面间填充导热填料后可大大减小接触热阻。

2　计算方法

运用传热学和流体力学相关理论和实验结果，对电子器件散热进行分析和计算，并在此基础上进行一定的测试和试验，必要时辅以数值模拟，是进行产品热设计的有效方法。对电子器件散热的分析和计算，是获得好的热设计所不可或缺的重要步骤。

2.1微型风扇工作点的确定

图2　某型号笔记本电脑微型风扇的工作点Fig.2 Operating point of a miniature fan for laptop

在采用强制对流进行散热时，空气流量以及流速是由微型风扇的工作点所确定的，而微型风扇的工作点则是系统阻抗特性曲线和微型风扇性能曲线的交点［15］，如图2所示。系统阻抗特性曲线由试验得到，微型风扇性能曲线则由供应商提供或测试得到。

图3　竖直布置矩形等截面肋片Fig.3 Vertical rectangular fins with constant cross-sectional area

2.2对流换热的计算

对流换热有自然对流和强制对流之分。散热器肋片材料一般采用导热性能好的铜或铝，可假设温度均匀，即等壁温表面。对图3所示竖直平行平板自然对流换热，平均努赛尔数［16］可按下式计算：

式中：Ras—瑞利（Rayleigh）数；S—肋片间距（m）；L—肋高（m）。强制对流条件下，散热器相邻肋片组成若干换热通道。空气流经散热器的总换热量可由下式计算：

式中：N—通道个数；m·—空气流经单个通道的质量流量（kg/s）；Cp—空气比热容（J/kg·℃）；Tw，Ti分别为肋片表面温度及空气入口温度（℃）；A—单个通道的换热面积（m2）；h—空气与壁面间的对流换热系数（W/m2·℃）。

散热器肋片组成的换热通道一般可近似为矩形截面，因此可按流体流经矩形截面通道的对流换热关联式计算努赛尔数，再计算对流换热系数。当散热器沿流动方向的尺寸较小，即通道沿流动方向的距离较短时，需考虑入口段对换热的影响。

当通道的长宽比大于10时，努赛尔数可按流体流经平行平板进行计算。等壁温条件下，流体流经平行平板，并考虑入口段影响，且入口段为流动与换热同时发展层流流动的对流换热平均努赛尔数可由下式计算［17］:

2.3辐射换热的计算

常用电子器件的散热以对流换热为主，但在一些情况下辐射换热不能忽略。如图4所示LED散热器肋片对环境的辐射换热，计算时可将除两肋片表面、肋根表面以外的其它表面看成一个表面，由四个表面组成一封闭空腔进行辐射计算。考虑到散热器材料良好的导热性能，辐射计算时可假设肋片表面、肋根表面温度相同。

图4　辐射计算表面Fig.4 Surfaces for radiation calculation

2.4热网络法

将研究对象划分成若干个单元体，每个单元体为一个节点，并假设每个单元体内的温度均匀，建立并求解节点热平衡方程，这种热分析计算方法称为热网络法［18］。图5为笔记本电脑散热模组的热网络图，其中Rch、Rnh、Rcp、Rnp分别为CPU中心至热管、北桥中心至热管、CPU中心至PCB板、北桥中心至PCB板的热阻；Rhp、Rtim分别为热管和导热填料的热阻；tc、tnb、tp1、tp2分别为CPU中心、北桥中心以及CPU、北桥处PCB板的温度；thp1、thp2、thx分别为热管蒸发段、冷凝段、散热器表面的温度。热阻阻值可通过热阻测试仪测得或由相关文献资料获得。按热网络图可建立相应的节点网络方程，在散热量给定的条件下，可计算出CPU和北桥的中心温度［2］。同样，LED等的散热也可以用热网络法进行分析计算［19］。

图5　散热模组热网络图Fig.5 Diagram of thermal network for heat dissipation module

3　结束语

电子元器件集成度的提高以及电子产品小型化的趋势，给散热技术提出了挑战。为适应这种变化，出现了一些新型散热部件如振荡热管、微槽道散热器等，以解决高热流密度甚至超高热流密度电子器件的散热问题。另一方面，对这些散热部件内流体流动与传热的研究，进一步拓展了人们对于流动与传热的认识。目前，尽管在新型热管、微槽道等方面的研究已有不少，但无论是理论还是实际应用，仍需更进一步的研究和完善。

散热计算方法是进行产品散热设计的重要手段。电子器件散热中的流动与换热现象有其特点，比如尺度小、金属材料的热导率高等。充分考虑这些特点并进行适当简化，运用传热与流体流动基本原理以及相应的实验关联式，对散热方案进行分析和计算，并结合一定的试验进行验证，必要时再辅以数值模拟，是获得好的散热设计的有效方法。

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Heat Dissipation Technology for Electronic Devices and Its Calculation Methods

WENG Jian-Hua1，SHU Hong-Kun1，CUI Xiao-Yu2
（1.School of Energy&Mechanical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China；

2.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Several components currently used for electronic devices heat dissipation have been presented，including heat pipe，heat exchanger and miniature fan，etc..New components which are intended to meet the increasingly high heat flux，such as PulsatingHeatPipe（PHP），heat exchanger with microchannel，etc.，have been discussed.Furthermore，on the basis of the specialties of heat dissipation for electronic devices，calculation methods are summarized.These calculation methods provide useful tools for thermal design and thermal analysis of related products.

electronic devices；thermal design；heat dissipation；calculation methods

TK124

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.06.015

1002-6673（2015）06-042-03

2015-08-22

上海市自然科学基金资助项目（14ZR1429100）

翁建华（1968-），男，江苏吴江人，博士，副教授。研究方向：电子器件散热技术及计算方法，传热与流体流动；舒宏坤（1990-），男，浙江新昌人，在读硕士研究生。研究方向：传热与流体流动。