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电子系统对热管理的需求

消费者的需求一直在推动着电子行业中新产品的设计,而业界也已对市场的期望作出响应,提供尺寸越来越小、功能却愈发强大的产品。对于进一步的微型化以及不断增强性能的需求,将以指数的方式提高功耗以及系统内部的发热。生成的极高热量对用户的健康以及产品的可靠性和性能都具有不利的影响,从而在所有的电子产品中都产生了对热管理的核心需求。

在应要求而使用靠近他们身体的电子产品时(例如,在消费者佩戴 AR/VR 头戴设备时),消费者们会越来越多的接触到潜在的健康问题。头戴设备发热而可能产生的不利影响包括灼烧或红疹之类的皮肤问题、耳部感染,以及与大脑相关的问题。(来源:Trendshealth

 

热管理 – 历史与挑战


热管理即通过基于热动力学和热传递的技术,对温度和噪声水平进行控制的能力。电子行业的发展提高了对创新性的热管理技术的需求,由于不再使电子设备内部产生极高的热通量,从而改善系统的性能与可靠性。根据Thermal News 的报导,预计热管理市场将从 2013 年的 88 亿美元上升至 2018 年的 155.6 亿美元,增长率达到 12.1%(热管理包括材料的使用、技术,以及调节过度发热的工具)。heat_image.jpg

电子行业的兴起,需要各类创新性的解决方案才能应对热管理上的挑战。这些挑战来自于一系列多种电子设备所发出的热量,热量的范围从印刷线路板 (PWB) 上的 5 瓦/平方厘米,一直延伸至半导体激光上的 2000 瓦/平方厘米。传统的冷却方法对于以前的热通量具有效果,但是,对于之后发生的热通量来说,则必须配备更具创新性的解决方案。

在大多数情况下,芯片的结点温度必须保持在供应商指定的允许限值以下,从而确保性能与可靠性。可靠性的定义为设备在具体的时间段内在指定条件下发挥所需功能的可能性。在确定某一产品/技术的质量与优越性的过程中,产品可靠性是最重要的因素。


热管理上的其他挑战包括:

  • 形状系数减小

  • 恶劣环境

  • 降低产品成本

  • 可靠性和性能上的约束

  • 满足严格的标准

  • 开发先进的技术与材料

  • 提高消费者的要求与需求


热管理解决方案

最新的热管理技术围绕着基本的热传递模式发挥作用 – 也就是传导、对流和辐射,而技术的发展则从单相换热发展到了多相换热。均热板、冷板和喷射冲击机构之类的冷却技术,为热管理产业生态的未来带来了革命性的发展。

热性能出色的新型冷却剂(例如纳米流体和离子纳米流体)正在取代传统的冷却剂。现代的 CFD 仿真软件针对各类挑战性的问题开发而成,可以预测温度与气流的分布,有助于确定存在高温的位置以及气流不足之处。根据西门子公司“使用 CFD 实现最优的热管理与冷却设计”的研究成果,该软件还可用于研究各类修改措施的成本效益,找到提高冷却效率的途径。

 

热管理行业的主要冷却方法

传导冷却:通过直接传递,从较热部分到较冷部分的热传递。传导冷却的常用方法包括芯片载体传导、印刷电路板传导、使用耐热框以及热传导模块。

通过自然对流和辐射的空气冷却:自然对流的基础在于温差所造成的流体中密度差异而引起的流体运动。流体的流速越高,热传递的速度就越快。与自然对流气流有关的流体速度本身较低,因此,自然对流冷却的使用局限在低功率的电子系统中。

通过强制对流的空气冷却:强制对流包括添加空气增流器,使空气吹过周围的电子组件,提高流体的流动速度,这样就可以提高传热速率。强制对流的效率最高可比自然对流高出 10 倍。

液体冷却:由于液体的导热率要远远高于气体,因此,与气体冷却相比,液体冷却的有效性要高得多。然而,由于存在泄漏、腐蚀、超重以及冷凝的可能性,对于使用空气冷却时涉及的功率密度过高、影响到安全耗散的情况下,应用才会首选液体冷却。

沉浸冷却:在浸没到介电液体中后,利用沸腾时极高的传热系数,可以有效的冷却高功率的电子组件。

先进冷却技术包括低温学、冷却剂冷却、混合冷却、微通道冷却、喷射冷却以及冷板冷却。

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少数一些热力工况需要组合使用多种冷却技术。常见的混合冷却技术包括电润湿、局部冷却、热导管、紧凑式热发生器、均热板冷却、相变材料、微观 TEC、eTEC(嵌入式 TEC),以及喷射冲击。(来源:电子设备的冷却章节,《传热与传质》,作者:Yunus A. Cengel 和 Afshin J. Ghajar)

 

Molex 的实力 

冷却技术一直在稳健的发展之中,但是还需要进一步的开发,从而解决其爆发式的增长而使电子行业面临的、不断发展的热管理上的挑战。对此,Molex 一直在不断研究创新性的热管理解决方案,而产品的可靠性则是研究工作的焦点所在。敬请探索有关 Molex 用于下一代数据中心的热管理功能的更多内容。

 

如要了解 Molex 的热管理功能可以如何为您的组织提供协助,请在molex.com 上与我们取得联系,获取更多信息。


By David Chen

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