PCB电路板及其电子元器件的散热方式和特点

作者:兰洋科技    浏览量:3823    时间:2023年05月14日    标签: PCB电路板 PCB板散热 电子元器件

【摘 要】本文针对电子设备的热失效问题,介绍了 PCB 电路板及其电子元器件散热方式和特点,将系统级散热技术分为单相散热和多相散热,指出各种散热技术的热流密度范围,从散热结构、运行参数、材料与工质、散热技术耦合等角度论述了各种散热技术的研究进展。提出了散热器设计、纳米颗粒应用、散热技术耦合、精密控制技术、PCB设计、减振与降噪几个发展重点,为 PCB 电路板及其电子元器件系统级散热技术进一步发展提供了建议。

01 引言

PCB 是电子设备的核心,包括电阻、芯片、三极管等,其中芯片发热功率最高,常见 CPU 为70~300 W,是主要发热源。因 PCB 高集成化,其发热功率不断提升。过高温度对电子设备性能、可靠性、寿命等严重不利。

元器件温度相关失效包括机械失效与电气失效。机械失效是温度变化时,结合的各种材料热胀冷缩程度不同,造成材料变形、屈服、断裂等。电气失效是温度变化导致元器件性能改变,如晶体管、芯片电阻等,进而造成热逸溃、电过载;同时温度过高导致电子大量迁移和原子振动加速,造成离子迁移不受控和电子轰击原子现象,引发离子污染和电迁移。这将严重影响元器件的安全、稳定、寿命等。

元器件散热分为芯片级、封装级、系统级,芯片级和封装级散热从优化材料和制造工艺入手,降低热阻,而系统级散热是使用合适的散热结构和冷却技术设计符合需求的散热系统,保证元器件能安全长效工作。国际半导体技术发展组织提出,系统级冷却是限制芯片能量损失增长的主要原因 。这表明高性能系统级散热技术的重要性。

根据是否依靠工质相变分为单相散热和多相散热。单相散热包括风冷液冷、射流、热电制冷。其中风冷和液冷较为成熟,应用广泛,但散热效果一般。多相散热包括:PCM、热管、电润湿、喷雾。总的来说多相散热由于工质相变吸收大量潜热,散热效果更好,是重点发展方向。

02 PCB 及元器件散热方式和特点

元器件传热方式可总结为从芯片导热至封装外壳,外壳底部通过引线、焊球等连接 PCB 铜箔,铜箔则在 PCB 平面和厚度方向传热。平面方向传热通过导热和对流,而厚度方向导热则要穿过基板树脂材料,其热导率很低,因此常设置镀铜过孔,将 PCB 不同层铜箔连接从而提高其厚度方向的导热性。

以图1为例,芯片上表面连接散热器,向下通过焊球 - 基底 - 焊球导热至 PCB 上表面铜箔,通过对流和平面方向导热散出部分热量,剩余热量通过热过孔到达 PCB 下表面,通过散热器散热。

图 1 PCB 及元器件散热示意图

03 单相散热技术进展

3.1 风冷散热

风冷分为自然对流和强制风冷,热流密度极限约5W/cm2。自然对流散热差但成本低,广泛用于低热流密度设备如电视等。强制风冷散热强、结构简单、可靠性强,广泛用于 CPU、数据中心等。

研究集中于散热翅片优化,如 Ahmad 介绍的新型多层散热片,多层翅片结构使边界层突变从而强化散热,组件平均温度降低 6.13%。此外还有流动控制优化,Wang提出的往复系统,能根据模块温度调节流道两端风扇的启停和转速使空气往复流动,降低了 15%的最高温度和50%的温差。

3.2 液冷散热

液冷性能好于风冷,因为液体比热容远大于空气。常规液冷热流密度达 24 W/cm2,微通道液冷热流密度可超过 790 W/cm2。液冷包括浸没冷却和液冷板

浸没冷却是将设备浸入导热性强、导电性弱的冷却剂中,已用于数据中心、基站冷却。浸没冷却运行参数对冷却效果影响很大,系统循环速度更快、供液温度更低都有利于冷却。

冷板对封装要求更低,可直接接触元器件,应用场景更多。优化通道结构能强化换热。Jiang 发现 V 型肋通道传热性能是光滑通道的 2.1倍,因为侧壁边界层被破坏形成二次流,使主流直接与壁面换热。肋片虽能优化传热,但带来更大的流动阻力,为此 Chen采用拓扑对矩形通道冷板(RCP)和蛇形通道冷板(SCP)优化得到TCP-RCP 和 TCP-SCP,如图 2 所示,优化模型减小流动阻力同时强化散热,TCP 最高温度分别降低 0.27%和 1.08%,温差分别降低 19.50% 和 41.88%。

图 2 拓扑优化冷板示意图

微通道是一种新型液冷板,一般嵌于金属板,当量直径在 10~1000 μm。由于尺寸小、散热强、均温性好,常用于航空航天领域。除结构优化,调整流动分布比单纯增加流量更能有效降低热阻和能耗,如根据温度分布调整微通道入口的算法 。

新型工质研究集中于纳米流体和液体金属。液体金属效果更好,但需更高能耗,且有腐蚀性。而纳米流体与水所需能耗相仿,是较理想的冷却剂。John发现 Al2O3-TiO2和Al2O3 纳米流体均能提高冷板换热性能,且混合纳米流体效果更好。

3.3 射流

射流是一种高效的冷却方法,最初用于航天发动机,后来也用于大功率芯片,热流密度超过500 W/cm2 。驻点区射流方向变化,换热效率很高,但远离该区域冷却效果迅速下降,多喷嘴结构能解决这个问题。射流冷却研究集中于结构参数和工质。结构参数包括喷嘴直径、阵列等。此外,冲击面结构也会影响冷却效果,如锥形表面比平面能提高 11%的冷却效果。

工质方面对纳米流体、液体金属研究较多,它们比传统流体有更好的性能。Selimefendigil 研究了纳米颗粒形状对射流的影响。Xiang 发现与水相比,采用液态 Ga,热阻最大下降 29.8%。

3.4 热电制冷

热电制冷利用 Peltier 效应,常用半导体作为导体,如图 3 所示。热电制冷有微型、无噪声等优点,其热流密度达 15 W/cm2 ,用于空间微小的PCB 十分合适。其不足是制冷效率低,针对该问题,除冷热端换热优化,更主要是提高热电材料性能。热电材料的关键性质包括热导率 κ、塞贝克系数α和电导率 σ,它们共同组成 zT,表示为:

(1)

图 3 热电制冷原理

zT体现材料热电性能,一般需提高 zT,如增大电导率或减小热导率 。将不同材料掺杂能提高热电材料性能,如将合金掺入硅晶体形成共晶材料。控制微观结构如晶粒尺寸和二次相也可改善合金的热电性能。选择合适物性配置也很重要,单纯提高 α 或降低 κ 虽能提高 zT,但未必得到更好的冷却效果。

04 多相散热技术进展

4.1 热管

热管是一种传热能力很强的元件,热流密度超 200 W/cm2 ,其结构紧凑、可靠性高,广泛用于终端电子设备。热管利用工质在真空管吸热端蒸发与放热端液化传热,管芯多孔材料产生毛细力维持工质循环。

电子设备一般使用超薄热管,可紧密贴合元器件表面,包括平板热管(UFHP) 和环形热管(ULHP),它们的工作原理与传统热管一样,只是形状和结构略有变化。UFHP 是将传统圆柱形热管冲压成超薄平板。而 ULHP 如图 4 所示,将液体与气体分开在各自通道,使循环更畅通,有长距离、反重力等优点。

图 4 ULHP 工作原理示意图

平板脉动热管(FPPHP)是一种特殊 ULHP,无需管芯,有结构简单、微型化的特点。FPPHP在冷、热源间形成蛇形环路,由于热源作用,蒸发端与冷凝端压力不稳定引发复杂的两相流,工质在通道内自发振荡实现传热。

均热板是一种特殊的 UFHP,相比一维传热的热管,均热板在二维面上传热,效率更高,均温性更好,比传统 UFHP 更有优势如图5所示。

图 5 均热板工作原理示意图

管芯是维持工质循环的核心,也为液 - 汽相变提供接口,因此,热管的启动和性能主要取决于芯结构,分为:微槽芯、烧结芯和复合芯结构。对芯的优化主要是提高毛细力、渗透率,减轻重量以提高液体输送效率。Zhou 开发的新型双孔螺旋网芯,节约 22%铜线并结合了大孔渗透率高和小孔毛细力大的优点。

热管另一关键是工质,UFHP 工质仅填充芯体时热阻最小,液体过多阻碍蒸汽流动。纳米流体工质有更强的相变能力、流动速度、流动驱动力。

热管作为灵活部件,常与其他散热技术耦合得到更好效果。热管 - PCM 最常见,此外还有均热板 - 喷雾、热管 - 热电制冷等。

4.2 PCM

PCM有成本低、重量轻、散热强等优点,利用相变潜热稳定元器件温度,如PCM在功率高峰期熔化吸热,在功率低谷期凝固放热。PCM需提高导热性,如微胶囊PCM,就是提高 PCM 比表面积进而增强导热,加入纳米材料、泡沫金属或膨胀石墨能进一步改善。Baruah 在PCM胶囊中加入泡沫金属,发现泡沫金属的巨大内表面积能提高PCM导热。同时PCM常被用于填充散热器,因为肋片能帮PCM导热,PCM也能帮肋片散热。

PCM 也常与其他散热方法耦合。如热管 -PCM,如图 6 所示,热管可提高 PCM 导热,而 PCM作为二次冷凝器吸收热管的部分散热  。Mura-li  提出在 PCM 与风冷、液冷、热管的耦合中,PCM - 热管性能最好。

图 6 PCM - 热管示意图

4.3 电润湿

电湿润能耗低、响应快,适用各类芯片。通过电极控制介电液滴移动和变形,在热点处相变吸热以消除局部热点,如图 7 所示。其散热可达微通道水平。液滴形状与相变情况主要影响换热,与电场强度、频率和温度有关。提高电场强度和表面温度均能促进蒸发。Enakshi提出交流电场强度越高、频率越大,则液滴生长越快。

图7 电润湿界面示意图

为促进液膜产生和降低摩擦力,需对液滴接触面结构与材料优化,如超亲水纳米孔涂层可促进液膜形成。此外纳米颗粒能改善液滴接触角、接触直径等参数,增加液滴内部扰动,进而促进传热 。

4.4 喷雾

其有高散热和大面积冷却能力,热流密度极限达 1200 W/cm2 。工质经喷嘴形成微小液滴,液滴冲击受热面并相变吸热。冲击对液膜的扰动和液滴的相变,大大强化了传热。影响喷雾冷却的因素分为运行参数、冷却液特性、受热面特性。

运行参数包括流量、液滴直径、喷射方向等,减小液滴直径比增大液滴速度更能促进蒸发。Su 指出:倾斜喷雾液膜覆盖率更大,可获得更高的传热系数。实际中常用多喷嘴喷雾,则喷嘴布置也是影响因素。喷嘴数越多、喷射压力越大,冷却速度越快。施加电场可分解液滴为比表面积更大的细液滴,从而增强传热。电场控制下形成不同形态的电喷雾散热能提高2.8倍。

除纳米流体外,醇 - 水混合物、表面活性剂也能改善散热效果。醇 - 水可显著降低液滴表面张力和接触角;表面活性剂降低液滴表面张力并增加液滴直径,液膜能更快变厚,利于液膜流动带走热量。

受热面即表面结构优化,如直槽结构能提高64.2%的传热效果 。增加表面微粗糙度,传热可增强约116%,而在翅片表面增加微粗糙度,传热能得到进一步增强。

05 PCB 及元器件散热技术发展方向

5.1 散热器设计

优化翅片等结构可增强边界层扰动以强化传热,但也伴随流动阻力增加。为解决该多目标问题,提高传热的同时减小能耗,是研究重点。

常用正交实验、遗传算法、拓扑对散热器结构、运行参数进行优化。散热器表面微观结构也显著影响沸腾冷却中气泡的产生和喷雾中液滴接触角等。

5.2 纳米颗粒应用

纳米流体有高导热性,可用于大部分冷却技术。维持纳米流体稳定是关键问题,使纳米流体短期稳定的方法有超声处理、改变pH值和添加分散剂,长期维持纳米流体稳定的方法仍需继续探索。

纳米颗粒的浓度、种类、尺寸等会影响传热性能和流动功耗。高浓度颗粒会强化传热,也会带来更大流动阻力,还需大量实验确定最优参数。

纳米颗粒用于热管理材料能提高传热性能,与颗粒浓度、颗粒形状有关。目前,纳米颗粒加入PCM已得到广泛研究,将纳米颗粒用于热界面、电子封装等材料有待更多研究。

5.3 散热技术耦合

针对应用场景,利用多种散热技术相互辅助以达最优效果,为未来电子冷却发展提供新思路。传统如热管 - PCM、热管 - 风冷、PCM - 液冷等,随着更多散热技术提出,耦合新技术是发展方向。热管与 PCM 可灵活辅助其他技术,值得深入研究。

5.4 精密控制技术

高集成 PCB 及元器件易短时间产生大量热量,形成局部热点,冷却系统需快速响应。根据热点位置调整冷却工质分配和流动是更经济的手段。为此需精密控制技术,如调整进液口尺寸的微通道等。电场能精确灵活控制介电液体流动,如电润湿、喷雾等场景均有研究,未来用电场控制流动可能会得到更多应用。

5.5 PCB 设计

当前电子设备主要靠风冷,设计元器件布置可优化散热。如布置热通孔以提高 PCB 纵向导热。按元器件发热耐热情况沿气流排列,高发热耐热元器件放下游,低发热耐热元器件放上游。或考虑元器件高度引起的气流回流布置。相关结构设计与布置值得更多研究。

5.6 减振与降噪

多数情况工质是流动的,而动力装置中流体压力波动、涡流脱落、边界湍流分离等产生的振动与噪音,不利于电子设备长效工作,因此该方面值得深入研究。如改进风扇振动,需根据流场调整出风角等以降低叶片转速。 

开发新型动力装置如用叶片弯曲谐振的压电叶片,不仅可减振与降噪,还满足轻量微型的需求。           

06 结论

由于 PCB 电路板及其电子元器件的高集成化、高功率化,电子设备的热失效问题逐渐突出,并成为限制电子技术发展的关键。本文介绍了PCB 电路板及其电子元器件的系统级散热技术,分为单相散热技术和多相散热技术,论述了风冷、液冷、射流、热电制冷、热管、PCM、电润湿、喷雾的研究进展,现有研究主要从散热结构、运行参数、材料与工质、散热技术耦合进行优化。最后提出了散热器设计、纳米颗粒应用、散热技术耦合、精密控制技术、PCB 设计、减振与降噪几个发展重点,为进一步发展提供了建议。

本文标题:PCB电路板及其电子元器件的散热方式和特点

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