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呂錫民:散熱器最佳化的散熱設計

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【大紀元2019年04月23日訊】由於製造簡單、成本低、散熱可靠,散熱器(heat sink)是一種常用於電子設備,以進行冷卻作用的熱交換器。有關散熱片的延伸表面可以是平板式鰭片或針腳式鰭片等形狀。過去幾十年間,由於尖端微米、奈米技術開發,人們對電子器件小型化投入大量研發。但是散熱仍是提高散熱器性能與電子器件性能的主要議題。

隨著電子設備朝向高性能與小型化方向的不斷發展,散熱問題已經成為電子設備發展的主要障礙。同時,傳統風冷散熱方式已經不能滿足高密度散熱要求。目前,新潮計算機使用者更喜歡使用具有高速度處理器的計算機。熱設計最佳化引導散熱器尺寸與重量最小化,藉散熱功能改善,增強電子器件運轉速度。隨著電子設備越來越小型化,CPU運行能力也越來越強。此外,CPU一次處理數據量變大,所以會產生更多熱量。計算機製造業者的此一發展趨勢,使得生成熱量向外部環境的傳送變得更加困難。

一般而言,處理器所產生的熱量,首先經由熱傳導(heat conduction)傳至散熱器(HS),然後再經過自然、混合或強制對流(forced convection)傳到外部環境。隨著內部溫度一直升高,如果散熱器散熱效率過低,則可能導致電子元件損壞。這個問題促使計算機製造商,採用更複雜熱傳技術,來提高電子元件散熱速度。然而,計算機尺寸最小化結果,增加系統整體流動阻力,抑制了散熱片與散熱片間的流體流動,除了顯著影響散熱器的散熱能力之外,並也降低電子元件性能。因此,散熱器的適當設計,除了能夠促進傳熱效果,並且可避免電子元件過熱。研究人員從而將散熱器有效熱能管理列為重要議題。值得一提的是,由於獲得冷卻液的容易性以及所需設備的簡單性,加上高可靠性與低成本等因素,空氣是常用於電子系統的冷卻流體。

隨著微電子技術的快速發展,電子設備更加小型化,在具有高功率、高性能、高溫度等先進電子功能環境下,傳統強制對流熱交換方式已達熱力極限。因此,如何開發更有效、更高冷卻通量的散熱方法面臨挑戰。一般來說,電子設備的工作極限溫度範圍約在85〜100℃之間。當溫度超過此極限溫度,每升高1℃時,晶片可靠性就降低5%,使用壽命也會減少。因此,如果不能及時清除電子元件產生的高熱量,就會對晶片的可靠性和使用壽命產生重大威脅。研究和開發一種有效冷卻技術,藉此移除電子元件所產生的高熱量是有其必要的。

由於微機電系統(MEMS)的充分發展,高密度積體電子電路導致電子晶片發熱率急速增加。換句話說,晶片運算速度一直在增加,晶片產生熱量也在增加,造成晶片溫度也不斷上升,然而,晶片體積卻一直朝微型化在發展,使得散熱技術的困難度越來越高。例如,2010年晶片平均熱通量約為50W/cm2,2012年則躍升至250W/cm2左右。

根據研究,多孔金屬可顯著增強強制式對流的熱交換機制。帶有多孔介質的散熱器,可增加鰭片與冷卻劑之間的表面接觸面積,增加冷卻劑局部混合速度,從而確保更好的散熱效果。如果孔道條件和通道幾何參數設計合理,則可以提高多孔散熱片的熱性能。但是,在低孔隙率及低滲透率的多孔微通道散熱器(MCHS)的進口和出口之間實施高壓降,會耗用更多泵送功率。因此,當多孔介質被當作熱傳材料時,相關高壓降實施措施,是多孔MCHS設計中,一項至關重要的功能。

微通道緊湊型熱交換器的優點,在過去二十年中,獲得研究人員的廣泛關注。隨著微型通道水力直徑減小,使得製冷劑接觸表面面積與熱交換器體積間的比率增加。這種特性使得熱交換器尺寸得以最小化,熱交換器製造中使用材料量減少,並降低製冷劑使用量。如此技術精進不僅影響製造成本,並關係到環境衝擊的降低。在迷你通道和微通道中的流動沸騰,可以用於:諸如微機電系統(MEMS)、微處理器、雷射二極管陣列、發光二極體(LED)等許多高功率密度器件的冷卻。微通道中的流動沸騰對具有高熱通量的現代電子的熱管理非常有效。為避免電子設備或積體電路元件的電氣危險,具有優良電氣與化學性能的氟碳液等介電液體,是這類應用的主要候選材料。

近二十年來,研究人員對於MCHS特點的關注,引發業界的高度使用興趣,MCHS包括:高緻密性、高功耗/體積比、小製冷劑儲量等獨特優點。由於高面積/體積比,1981年,Tuckerman和Pease首先引入MCHS,以作為從小範圍去除高熱通量的替代解決方案。由於微通道的水力直徑較小,微通道中的流動方式大多處於層流狀態,但是最終微尺度的泵送功率仍是一項關鍵的限制因素。用於冷卻電子模組最常見手段之一是散熱片。根據散熱片幾何形狀、結構、方向等設計因素,構成散熱器的散熱片具有許多類型,諸如,平板鰭片、針鰭片、中斷鰭片、開槽鰭片、直列式或交錯式、相同或不同的高度和寬度等。

基底表面的低熱阻、均勻的表面溫度、低的最高溫度、以及低的泵送功率、高的緻密度、低的製造成本等等,皆是MCHS的基本要求。近年來,作為冷卻系統的單層微通道散熱器(SLMCHS),已經廣泛運用在各種電子設備當中。隨著電子晶片的小型化,SLMCHS幾何參數的最佳化,已經成為提高整體性能的一項熱門且具吸引力的研究課題。

SLMCHS是由Tuckerman和Pease於1981年首次引入。但是,沿著通道上相對較高且不均勻的溫度分佈乃是SLMCHS運用的主要缺點。此一缺點讓晶片產生熱應力,進而降低電氣性能,最終減少晶片使用壽命。在入/出口間的高壓降(由於通道的小水力直徑)和高溫變化(由晶片所產生的大熱量無法以相對少量冷卻劑去除)限制SLMCHS在相關工程中的應用,尤其是在微型技術上的發展。然而,藉由增加冷卻劑流量來增強散熱功能需要更多的泵送功率,這意味著更高噪音的產生。因此,1999年,Vafai和Zhu提出雙層微通道散熱器(DLMCHS)設計(頂層和底層),作為降低沿散熱片溫度變化的替代方法。與傳統方法相比,Vafai和Zhu所提出的散熱器,提供更大的水力直徑,因而保證加熱表面上更均勻的溫度分佈。實際上,近年來,學者對多層MCHS設計中的液熱性能進行更進一步研究確實有其必要性。

我們可以得出結論,傾斜角度、方位角、瑞利數對於增加散熱器的散熱機制,皆起著重要的作用。自然傳熱對流仍然需要研究人員更多的關注,以提高散熱器的傳熱率。施加諸如攪動或脈動流的外力,可以增加散熱器的去除熱量功能。通道之間的鰭片數目、鰭片幾何形狀、通道形狀、通道縱橫比、溝槽通道、進/出口位置、肋條和擾流器等變化,對於獲得散熱器的最佳化熱設計具有吸引力。可以說,現有的數據很難提高旋轉散熱器的散熱性能。填充散熱器基板的底座改變了散熱器的散熱設計。具有多孔介質和/或穿孔鰭片的散熱器表現出更好的熱傳遞,但是必須考慮壓降增加此一因素,特別是具有高濃度的稠密奈米流體。擋板、渦流發生器和肋條比平滑的散熱器表現出更好的液熱性能。雙層散熱器優於典型(單層)散熱器,但不適用於高壓降案例。散熱器的小型化在液壓和散熱性能方面表現出色。目前,有大量的論文發表在小型和微型渠道上面,其中傳統液體和奈米流體皆有相對考慮進去。

在未來研發方向,根據若干已出版的調查報告證實,使用主動式方法可以增強散熱器散熱性能。例如有學者建議,在製造蓮花型多孔銅製散熱器時,可以將孔隙長度和貫穿孔隙度此兩因素考慮進來。使用兩層以上通道來提高MCHS的熱設計,需要有更進一步的研究。為了提高傳熱效果、減少摩擦損失、使用少量基板材料,而在平板鰭片上開槽或使用開槽鰭片,目前仍然缺乏更有積極性的研究案例。建議在散熱器基板底部填充不同的泡沫和填角,可以提高散熱效能。在例如微通道等小型通道中使用奈米流體的主要障礙在於沉澱現象,因為如此將導致奈米粉末聚集,然後堵塞MCHS通道。當使用多孔介質時,由於泡沫孔隙率的存在,將使這個問題變得更加複雜。

責任編輯:朱穎

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2019-04-23 9:29 AM
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