高熱流電子器件冷卻技術(shù)的評估與分析.pdf

1、隨著電子芯片集成度的不斷提高，電子元器件的冷卻技術(shù)將成為未來電子技術(shù)發(fā)展需要解決的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由本文進(jìn)行的電子器件調(diào)研中可以發(fā)現(xiàn)，如今電力電子器件的熱流密度已經(jīng)達(dá)到105～106W/m2，甚至有些高集成度模塊的熱流密度已經(jīng)接近107W/m2，并且這種趨勢持續(xù)增加。過大的散熱量如不能及時的排散到周圍環(huán)境中，將導(dǎo)致器件結(jié)溫迅速升高甚至燒毀，直接影響到設(shè)備及儀器的使用壽命。因而，對高熱流電子器件的冷卻技術(shù)進(jìn)行評估和分析，是當(dāng)今傳熱研究的重要

2、課題。尤其對于應(yīng)用在軍事及航空航天領(lǐng)域的高熱流電子器件而言，其工作在高真空度的外部空間，不存在自然對流使其散熱途徑明顯減少，并且與民用電子器件不同的是，它不具備隨時可替換的優(yōu)勢。對于工作在外太空的高熱流電子器件要求其使用壽命達(dá)到8～10年，因此，有效而準(zhǔn)確的評估和研究其散熱性能具有十分重要的意義。 為了研究工作更順利的進(jìn)行，本文首先通過網(wǎng)絡(luò)、書籍、向廠家咨詢等途徑對常用的電子元器件進(jìn)行了調(diào)研和分類，根據(jù)其功率耗散情況及封裝形式進(jìn)

3、行了熱流密度的估算，定義熱流密度達(dá)到105W/m2及以上的器件為高熱流器件，并對每種器件中熱流密度較高的型號做了匯總和歸類以便于查詢。在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合電子元器件的發(fā)熱特點(diǎn)和工作環(huán)境特點(diǎn)，對熱流密度量級從103W/m2～106W/m2的電子器件進(jìn)行了散熱性能研究，針對不同器件的封裝外形尺寸、功率耗散值等綜合因素，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的熱沉并利用FLUENT公司的專業(yè)電子熱設(shè)計(jì)分析軟件ICEPAK進(jìn)行了建模和模擬仿真計(jì)算，分別得出了兩種不同環(huán)境中

4、器件管殼溫度與熱沉各參數(shù)之間的關(guān)系曲線，對比分析了不同環(huán)境中管殼溫度隨熱沉參數(shù)變化規(guī)律的不同以及熱沉最優(yōu)參數(shù)的不同。對于工作在真空中的電子器件而言，除了要對其進(jìn)行有效的熱設(shè)計(jì)之外，還要求能夠?qū)ζ錈嵩O(shè)計(jì)的有效性進(jìn)行準(zhǔn)確的驗(yàn)證，比較常用的方法便是進(jìn)行熱真空模擬實(shí)驗(yàn)及落塔實(shí)驗(yàn)研究，在我國北京和上海等地已經(jīng)建立了多座大型真空模擬實(shí)驗(yàn)艙。雖然這種技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展成熟，但是費(fèi)用十分昂貴而且不具備隨時隨地可進(jìn)行的條件，使航天技術(shù)人員無法在工程現(xiàn)場對某

5、一器件的真空散熱性能進(jìn)行有效的評估，因此工程上急需要一種能夠通過地面環(huán)境下測得的器件殼體溫度預(yù)測出真空環(huán)境中殼體溫度的方法，以便于在工程現(xiàn)場甚至衛(wèi)星發(fā)射前夕對某些關(guān)鍵元器件熱設(shè)計(jì)有效性的驗(yàn)證。 基于這種工程上的需求，本文在仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，建立了航空航天工程中常用的板式散熱器及板翅式散熱器的數(shù)學(xué)模型，利用高等數(shù)學(xué)、傳熱學(xué)的相關(guān)理論和方法建立了地面環(huán)境中器件殼體溫度與真空環(huán)境中器件殼體溫度的函數(shù)關(guān)系式，并將公式計(jì)算結(jié)果與模擬仿真結(jié)