微電子散熱器件的案例
PCB設計對電子器件散熱性能之影響
(2) 器件的發熱影響
當發熱量高的器件很接近時，彼此的發熱會有加成的效果，因此造成元件溫度上升，對可靠度會有不良的影響。一般對發熱量高的器件而言，PCB上有較大的空間以利熱傳，因此置于中間位置的IC 器件散熱效果較好。
2. 在PCB上配置發熱特性不同的器件
當PCB上安裝耐熱性不同的器件時散熱方面應考慮于下風側裝置怕熱的器件（IC、晶體管、電容器等），而于上風處裝置耐熱及發熱的器件（如電阻、變壓器），這是因為若將怕熱器件安裝于發熱器件的發熱路徑之上，會使得溫度變得更高。在實際情況不允許的時候，可考慮在器件之間加裝檔熱板。
3. 在PCB上配置發熱特性不同的IC 時需注意事項
在這種狀況之下，要求的重點是考慮如何將其配置為均勻溫度分布，基本上式發熱量大的器件安裝于上風側，而將發熱量低的器件裝于下風側，如此發熱量大的IC，其溫度可以不會上升得太高。實際上的IC 溫度可由數值仿真軟件來做預測及仿真。
4. 器件配置需配合散熱方式
在自然對流時，由于通風來自溫差引起的浮力，因此要注意避免妨礙通風的凸起物，因此圖十b 的溫度較低。在強制對流時，由于可以得到強大的通風力，因此設計重點則是提高零件到表面的熱傳系數，加速空氣的混合，圖十a 的擺設方式雖然造成阻礙，但是如果風量足夠，擾流所引起的熱傳系數增加所造成的冷卻效果較大。
5. 器件配置配合系統設計
應將發熱量高的原件安裝于系統中方便通風的地方，例如通風口旁或接近風扇的地方，尤其是空間小的電子裝置如筆記本電腦等。如此可縮短散熱路徑，也不會加熱到其它的裝置或器件。
結論
隨著電子產品發熱密度的不斷提升，PCB的散熱需求也越來越受到重視，良好的器件散熱設計將可使器件的熱有效散去而使過熱問題的發生機會降低【8】。
展開 用Fluent進行電子器件散熱仿真分析，這些經驗不可不知
張楊
仿真xiu專欄作者
在使用Fluent軟件進行電子器件散熱仿真分析的過程中，我們不可避免的要對實際的各種零部件進行簡化和處理。不管是幾何層面、網格層面還是求解器設定層面，不同的部件都有相應的處理方法。下面就針對散熱仿真中的一些專用的設備（如風扇、格柵、擋板等）進行描述。
值得一提的是，如果條件允許，仍舊強烈推薦通用的電子散熱問題使用 Icepak 軟件進行仿真計算，因為其在各個方面的工作效率都遠高于Fluent（比如常用散熱設備的處理，Icepak 已經具備了基于對象的求解方法）。
散熱翅片
散熱翅片又稱翅片式散熱器，是氣體或液體熱交換器中使用最為廣泛的一種換熱設備，同時也是 Fluent仿真中電子散熱問題最為常見的設備。
圖1 散熱翅片是最為常見的散熱設備之一
對于散熱翅片，通常不需要做額外的處理，也不建議做模型的簡化。
如下圖所示，由于翅片本身在法向上尺寸較小，其他兩個方向尺度又大，所以部分工程師很容易聯想到通過無厚度壁面的方式，對翅片進行簡化，從而降低網格數量。但是散熱翅片本身直接與發熱體相連，溫度梯度大，對整個流場的溫度分布影響也較大，所以通常情況下，這是不允許的。
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圖13 電子散熱問題中的塑料件
來源：仿真秀
【經驗貼】用Fluent進行電子器件散熱仿真分析，這些經驗必須要知道！
圖13 電子散熱問題中的塑料件
電子設備熱設計(Thermal Design of Electronic Equipment)-9
一、輻射換熱
熱設計工程師通常不關心電子元件和外殼的輻射換熱。
影響輻射換熱的三個因素是物體與其周圍環境之間的溫差、物體與其周圍的表面特征以及物體對周圍環境的狀態。
首先，溫度差是設備外殼和外部機箱之間的差值，或者外部機箱和房間墻壁之間的差值。由于輻射熱傳遞是基于這種溫差的，當組件與其周圍環境之間的差值變得足夠高，輻射散熱就變得足夠重要了，此時設備很可能已經超過了其最高結溫。但在室溫下，輻射換熱還不到空氣中對流換熱所能傳遞熱量的10%。
其次，覆蓋設備或機箱的表面特性是另一個重要變量。電子產品中使用的材料通常對輻射是不透明的。但在用于電子器件的溫度范圍內，表面的顏色不會影響輻射發射率。
最后是視圖因子。這是離開一個表面并被另一個表面攔截的輻射的分數。對于較大球體內的球體，這可能高達1.0，或者非常低，例如兩個角度接近180°的板。代數方程可以計算視圖因子，不過這通常需要在計算機的幫助下完成。
盡管在電子封裝時通常不考慮輻射，但封裝可能會通過靠近高溫源來吸收輻射熱。這種情況可能發生在汽車的發動機艙中，其中電子模塊暴露在熱發動機部件和排氣歧管的輻射熱中。雖然物體的顏色在輻射冷卻中并不重要，但當物體可以從寬帶輻射源吸收熱能時，顏色就很重要了，尤其是當我們將電子封裝暴露在陽光下時。
二、自然對流和輻射換熱條件下的電子散熱器
半導體技術的快速發展已經導致微電子器件的散熱增加。被動冷卻是電子和電力電子設備的廣泛首選方法，因為它是一種價格低廉、安靜且無故障的解決方案。空氣冷卻被認為是電子封裝熱設計中的一項重要技術，因為在成本、空間和重量限制下，使用翅片來增強空氣冷卻是最簡單有效的散熱器結構。因此，開發一種系統的空氣冷卻散熱器設計方法對于滿足當前的熱需求和未來電子元件的高溫具有非常重要的意義。
展開 提高金剛石/石墨烯異質結構界面的熱輸運
來源 | International Journal of Heat and Mass Transfer
原文 | https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124123
01
背景介紹
隨著人工智能和高端芯片、微納米器件的快速發展，芯片的高功率密度導致芯片內產生大量的積熱，導致芯片性能和可靠性下降，甚至導致芯片損壞和整個系統損壞。因此，熱管理和溫度控制顯著影響微電子器件的性能和發展。該領域的微觀尺度換熱備受關注，其中界面熱輸運占據了主導地位。
目前大量研究集中在界面傳熱上以及熱導率高的材料，從而能更好地促進微電子器件和散熱材料的發展。二維材料的熱性能及其異質結構是納米器件高效散熱的關鍵。尤其是二維石墨烯，由于其原子間的強鍵合，具有超高的導熱性。然而，石墨烯的內部聲子傳輸容易受到表面或邊緣擾動的影響。即與襯底接觸后，面內熱導率明顯降低。因此，對于石墨烯來說，選擇理想的襯底至關重要。盡管之前有很多研究試圖找到解決這個問題的方法，但并沒有取得突破性的進展。
石墨烯與襯底之間的界面熱阻極大地阻礙了其實際應用。傳統的剝離和轉移到襯底的操作總是會對石墨烯造成折疊和起皺。在基材表面進行原位生長是解決這一問題的更好選擇。金剛石作為碳的另一種同素異形體，在1500 ~ 1900℃的高溫真空退火下容易轉變為石墨。金剛石的C-C鍵長為14.5nm，石墨烯的C-C鍵長為14.2nm，兩者相差不超過2%。金剛石是作為基板的不錯選擇，可以減少石墨烯與基板接觸時的面外聲子散射，因為它們具有高度的結構相似性。
展開 提高金剛石/石墨烯異質結構界面的熱輸運
來源 | International Journal of Heat and Mass Transfer
原文 | https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124123
01
背景介紹
隨著人工智能和高端芯片、微納米器件的快速發展，芯片的高功率密度導致芯片內產生大量的積熱，導致芯片性能和可靠性下降，甚至導致芯片損壞和整個系統損壞。因此，熱管理和溫度控制顯著影響微電子器件的性能和發展。該領域的微觀尺度換熱備受關注，其中界面熱輸運占據了主導地位。
目前大量研究集中在界面傳熱上以及熱導率高的材料，從而能更好地促進微電子器件和散熱材料的發展。二維材料的熱性能及其異質結構是納米器件高效散熱的關鍵。尤其是二維石墨烯，由于其原子間的強鍵合，具有超高的導熱性。然而，石墨烯的內部聲子傳輸容易受到表面或邊緣擾動的影響。即與襯底接觸后，面內熱導率明顯降低。因此，對于石墨烯來說，選擇理想的襯底至關重要。盡管之前有很多研究試圖找到解決這個問題的方法，但并沒有取得突破性的進展。
石墨烯與襯底之間的界面熱阻極大地阻礙了其實際應用。傳統的剝離和轉移到襯底的操作總是會對石墨烯造成折疊和起皺。在基材表面進行原位生長是解決這一問題的更好選擇。金剛石作為碳的另一種同素異形體，在1500 ~ 1900℃的高溫真空退火下容易轉變為石墨。金剛石的C-C鍵長為14.5nm，石墨烯的C-C鍵長為14.2nm，兩者相差不超過2%。金剛石是作為基板的不錯選擇，可以減少石墨烯與基板接觸時的面外聲子散射，因為它們具有高度的結構相似性。
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