电子设备无源强化散热结构应用进展 *

吴 波,张丰华，王婉人，田 沣，张理达

(航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068)

0 引 言

随着半导体技术及微小尺度电子技术的发展，电子器件尤其是高性能的芯片的功耗迅速增长。在过去几十年，尽管人们采取了各种各样的措施，电子器件的热管理问题依然是一个巨大的挑战[1]。据统计，当前电子工业中面临着在应对高达300 W/cm2热流密度的热管理技术难题。雪上加霜的是，超大规模集成电路的发展，使得高功耗的处理器芯片越来越小，当前晶体管的密度已经达到200亿每平方厘米，目前在制的芯片尺寸已经缩小到0.1 cm2。因此这种现代电子产品的设计趋势已经不可避免的导致器件热流密度和工作温度的高速增长。

另一方面，电子设备的失效率随工作温度的升高呈指数增长。据统计，超过50%以上的集成电路的失效与热问题相关。电子器件失效与其工作温度之间关系的一条经验法则是，电子器件的结温每降低10 ℃，其失效率则减半。单个晶体管的平均失效时间(MTF)与器件结温具有指数函数关系[2]，由此可见，有效地对电子产品实施热管理，对电子产品的可靠性具有十分重要的意义。

运用强迫风冷的方式对电子产品进行散热，是一种应对高功耗器件热管理问题的最常用的技术手段。很多时候，这种方式是唯一能够采用的方案，也是性价比最高的方案，因而其应用也最为广泛。传统阵列鳍片式散热器在进行强迫风冷散热时，其散热能力的提升已经达到瓶颈。要进一步提升对流换热系数，可采用各种方式进行强化。其中无源的强化换热方式是经济成本最小也最为可靠的方式。其具体含义是指，在不引入外部动力源的情况下，依靠改变换热表面的几何结构提升强迫对流的换热能力。

详细介绍了目前在电子设备风冷强化换热领域中采用的四类无源强化换热结构，包括纵向涡发生器、球窝/球凸、改进的针型翅片和柔性扰流器。分析了这些结构的应用形式、强化散热能力和优缺点，可以为电子设备的热设计提供有益的借鉴。

1 无源强化散热结构

1.1 纵向涡发生器

由流体力学可知，当流体横向流过一个障碍物时，往往在障碍物背面空间产生涡旋，当障碍物的横向尺寸有限，并且与来流的流体相交成合适的角度，则产生的涡旋将不会滞留在某一空间，而会随着主流向前运动，从而形成一系列有序的纵向涡旋。这些涡旋加强了流体的掺混，破坏了近壁区边界层，从而能增强壁面的换热系数。这种障碍物被称之为纵向涡发生器，一般为与流动方向成一定角度的矩形翼或三角翼，如图1所示。

图1 基于纵向涡发生器的风冷冷板

根据文献的报道，涡发生器结构可以显著提高换热表面的对流换热系数，同时也会造成一定程度的压降。在流体通道中设计涡发生器扰流结构后表面换热的努赛尔数与光流体通道的努赛尔数的对比时，局部努赛尔数最大可增大30%以上[3]，在流道横截面上由于涡发生器的作用出现两个对称的向下游发展的涡结构，这种涡结构使得流体充分掺混从而起到强化换热的作用。

1.2 球窝/球凸

另外一种广泛运用的表面强化换热结构为球窝/球凸，即在换热表面上的球冠状的坑窝或凸起，如图2所示。流体流经球冠状坑窝或凸起时，会在球冠状结构的表面以及尾迹形成复杂的二次流涡结构，从而增强表面的对流换热[4]。一种表面可以单独采用球窝或球凸结构进行强化，也可以将球窝和球凸组合起来形成波浪状表面获得更好的强化换热效果，这种增强换热结构已在多种场合得到应用。

图2 球窝/球凸扰流结构示意图

这种结构在起到增强表面强化换热效果的同时还不会显著增加流动阻力。当然具体的强化传热与阻力特性与球冠的半径和高度以及间距密切相关。

1.3 改进的针型翅片

针型翅片散热器由顺排或叉排的阵列柱体组成，相比平直翅片，对空气产生的扰动更剧烈，且在同等重量的情况下散热表面积增大，因而散热效果更好。针型翅片强化对流换热的机理为，当空气流经针翅后，在下游产生横向涡从而加强了空气的掺混。新型的改进针型翅片越来越多得应用于电子设备的空气冷却。

Junaidi[5]等对改进的张开型针翅的流动与传热性能进行了研究，其结构示意图如图3(a)所示。经与标准的竖直针翅进行对比发现，在低流速和同等的驱动功耗下，张开型针翅的换热能力提升了20%～30%。进一步地，Anusha[6]等研究了采用复合材料制成的张开型针翅散热器，应用这种散热器不仅热源芯片的结温降低，在达到同等热性能的情况下重量也能得到减轻。

除了从高度方向上的空间走向对针翅进行改进，更广泛的情况是改变针翅的横截面积。Sahiti[7]等对六种不同横截面形状的针翅的换热能力进行了研究，包括圆型、椭圆形、方形、机翼型、水滴形和柳叶形，如图3(b)所示。研究表明，椭圆形针翅在叉排情况下性能更好。圆型针翅在顺排情况下传热性能较好，而机翼型的针翅相比其他横截面并没有表现出明显的优势。显然方形的针翅相比其余的横截面具有更大的流动阻力。

图3 改进的针型翅片

1.4 柔性扰流器

以上几类增强换热结构均可看作是对原有换热表面的静态扩展，其增强换热的能力存在提升的瓶颈。柔性扰流器是一种新型的被动式增强传热结构，能与流体的流动产生互相作用，即流固耦合作用，利用流体本身的运动发过来对流体施加扰动，相比以上几类结构其对传热性能提升更为显著。柔性扰流器是将具有弹性的薄片安装在流道中，其提升换热的能力与薄片自身的弹性模量密切相关。

当柔性扰流器布置方向与流动平行时，扰流器用于受到通道内的湍流作用而被激发，产生周期性的摆动，如图4(a)所示。根据Gallegos[8]等人的研究，在这种情况下，传热能力在扰流器的尾端得到最大程度的增强，并随着尾迹向下游扩展，其传热能力的增强逐渐减弱，直至与光通道一致。

当柔性扰流器布置方向与流动成一定角度时，扰流器的运动更容易被激发，如图4(b)所示。根据Li[9]等人的研究，这种扰流器能显著提升通道内的传热能力，并且在扰流器具有1MPa的弹性模量时具有最优的性能。与光通道相比，在相同速度下，传热能力可提升140%，在相同的驱动功率下可提升87%。在相同雷诺数下，平均努塞尔数可提升至200%。

图4 柔性扰流器

2 结 语

现代电子设备的设计趋势已经不可避免的导致器件热流密度和工作温度的高速增长，这使得电子器件的热管理问题成为一个巨大的挑战。运用无源的强化换热方式是电子设备热管理技术中经济成本最小也最为可靠的方式。文中详细介绍了目前在电子设备风冷强化换热领域中采用的四类无源强化换热结构，分析了这些结构的应用形式、强化散热能力和优缺点，可以为电子设备的热设计提供有益的借鉴。