冷却小包装中的高功率电子元件

宾夕法尼亚州兰开斯特Thermacore公司应用工程经理Matt Connors

在今天的小型大功率电子设备中，使用蒸汽室可以有效地管理热量，有效的冷却有助于确保组件的长寿命和可靠性。

想象一下我们的武装部队在伊拉克沙漠中使用的高能雷达系统。这些部件的设计具有最高的性能，但设计非常紧凑，以节省空间和重量。对于像这样的关键任务设备来说，失败是不可能的，因为成百上千的士兵都指望电子设备成为部队的眼睛和耳朵。这些电子设备必须通过可靠和紧凑的系统来冷却，即使在最恶劣的环境中也能运行。

由于电子设备变得较小，更强大，有效的冷却变得非常具有挑战性，并且对于部件寿命和可靠性至关重要。附接到发热部件的空气冷热散热器必须具有适当的表面积和气流以消散热量。然而，仅具有高功率的热源（例如高功率电子元件）的高度浓缩热源的表面积不足。随着电子元件变小并且散热器的基部面积增加，通常在散热器的基部中发现大的热散热损失。随着热量行进到散热器的四肢，远离热源的散热片变得无效，因此无论散热器多大，它的热性能都变得恒定，无效。

为了展示这种扩展现象，为典型的高通量电气部件及其冷却水槽产生CFD（计算流体动力学）仿真。对于这个例子，一个6英寸。乘6英寸。1英寸。使用标准挤压间距的低型铝散热器用于冷却电气部件（0.5英寸。频率为100 W，或62 W / cm。²）.如图所示，高温梯度在截面视图中很明显。与直接在电子元件上方的热点相比，朝向外边缘的鳍片相当凉爽。该散热器的性能与300 LFM(线性英尺每分钟)的气流是0.46°C/W，这是从环境到组件上最热点的温度上升超过总功率耗散。

现在的挑战是如何在不改变现有几何形状的情况下，有效地将热量通过散热器的底部传播。面对这一挑战，设计师可以保持在相同的形状因素或原始封装尺寸，而无需对组件外壳进行长时间且昂贵的重新设计。为了降低这种高热阻，散热器金属底座需要用“超级”导电材料替换。在这个例子中，蒸汽室可以作为介质在底座中更有效地传播热量。

蒸汽室的好处
蒸汽室本质上是平面或平面的热管，利用蒸发和冷凝的原理产生非常高的导热面。蒸汽室基本上是带有内部灯芯和工作流体的抽真空容器。在不使用移动部件的情况下，芯有助于将工作流体输送回蒸发器表面。一旦液体蒸发，它就会进入燃烧室的较冷部分，在灯芯中冷凝，然后循环继续。

蒸汽室可以有许多不同的外壳材料和工作流体组合。这些材料的选择主要取决于冷却系统的工作温度。电子冷却领域最常见的组合是铜和水，因为其工作温度约为10°C至250°C，但其他液体和材料可以用于极端温度范围。

蒸气室的散装电导率已经在铜导电率的30倍以上测量，并且在同一平面平面构造中的热解石墨和金刚石的导电性超过10倍。另外，蒸汽室可以粘合到现有的挤出中或用作基部本身，在这种情况下，翅片可以直接焊接到它上。蒸汽室尺寸可以从小到1英寸。1英寸。至13英寸。到20英寸。标准厚度范围为3至9毫米，因此它们可以很容易地插入现有的基础中。

在今天的电子冷却市场上，蒸汽室被用于各种应用。军方在冷却雷达行波管、igbt(绝缘栅双极晶体管)和其他高通量电子器件中使用这些高导电性散热片。医疗行业都用它们来暖血。中高端计算机服务器中的大量散热器使用蒸汽室技术来管理来自高通量、高计算能力cpu的热量，这些cpu定义了系统的速度和性能。

为了说明蒸汽室可以提供给全金属散热器的热性能改进，检查前面描述的相同的散热器，但是蒸汽室集成到散热器基座中。如图所示，热量在整个散热器上更均匀地涂抹，导致总热阻下降37％。这里具有嵌入式蒸气室和所有参数保持恒定的散热器表现出仅0.29℃/瓦的电阻。

如图所示，蒸汽室的增强性能显着提高了全金属散热器的热性能。改进的热性能让电子元件设计者轻松管理现有体系结构内的组件频率速度和功率升高，同时允许更多的计算或发射功率，以便在更紧凑的空间中进行新设计。例如，如果给定系统中的电气分量在100W处达到其最大结温，则蒸汽室可以可能将散热功率增加到130W而不改变结温。这对于高功率MOSFET，RF发射器和密集的CPU等设备来说是一个很大的优势。

与传统的散热器一样，蒸汽室也具有足够的灵活性，能够经受冻融弹性，并能够承受军事冲击和振动标准，但一定要在规范中考虑这些变量。操作温度、重力方向和动力传输长度都是为特定应用定制蒸汽室内部结构时需要考虑的因素。尽管传统的热沉可能适合在低功率、大的热源应用中使用，但系统的性能受到热和机械约束的限制，如热流、总功率、空间和质量。相比之下，蒸汽室提供了在同一空间获得下一级速度和功率的能力。

Thermacore公司。
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