作者：Spencer Chin，特約撰稿人

隨著當今電子產(chǎn)品的尺寸不斷縮小并朝著更高的工作頻率發(fā)展，控制板級和電子外殼內(nèi)部的溫度仍然是設計工程師面臨的主要挑戰(zhàn)。工程師繼續(xù)依賴已建立的冷卻設備（風扇、散熱器、熱交換器、冷卻模塊）來將組件環(huán)境和結(jié)溫保持在可管理的水平。但傳統(tǒng)冷卻設備設計的創(chuàng)新正在幫助抵消不斷增長的熱密度。

理想情況下，設計工程師希望在電路板和電子外殼中為處理和控制電子設備騰出盡可能多的空間。但是高速微處理器和 FPGA 等較新的部件往往會產(chǎn)生更多的熱量。由于環(huán)境空氣流動本身通常不足以產(chǎn)生所需的散熱，設計工程師發(fā)現(xiàn)他們需要添加輔助冷卻裝置——盡管它們增加了空間和復雜性——以實現(xiàn)必要的工作溫度降低。

冷卻風扇是一種經(jīng)過驗證的熱管理方法，風扇制造商已經(jīng)通過風扇來應對不斷提高的熱密度，在某些情況下，這些風扇比他們的前輩更小，但設計得更有效，可以移動大量空氣。

例如， Orion Fans (Dallas)的電子換向 (EC) 風扇提供 1,400 和 2,200 rpm 的標準風扇速度，氣流值為 300 和 480 cfm。受熱保護的無刷直流風扇在 –25°C 至 50°C 的溫度范圍內(nèi)工作。電子換向允許這些直流風扇在交流電上運行，提供 115 和 230-Vac 版本，以冷卻大型、耗電的設備。

風扇也經(jīng)常被要求在惡劣的環(huán)境中運行。例如，總部位于日本的 NMB Technologies Corporation 推出了一款IP69K等級的風扇，可防止灰塵和高溫高壓水進入。具有此認證的產(chǎn)品非常適合用于必須使用燙傷、高壓擦洗對設備進行仔細消毒的應用。

NMB 的 IP69K 風扇有 12、24 和 48 Vdc 可供選擇，風量從 8 到 346 cfm?？捎贸叽绨?40、60、92、120、150 和 175 毫米。風扇采用高可靠性金屬外殼，在 25°C 時的預期壽命為 100,000 小時。

圖 1：NMB Technologies 的 IP69 風扇具有防塵和高溫高壓水保護。

熱電 (Peltier) 模塊是一種將電流轉(zhuǎn)換為溫度梯度的固態(tài)器件，它提供了另一種控制電路板和外殼溫度的主動方法。Peltier 模塊由兩個面組成——熱面和冷面。該模塊充當熱泵，因為它將熱量從冷側(cè)轉(zhuǎn)移到熱側(cè)。TEC 通過產(chǎn)生可以更輕松地移出系統(tǒng)的溫差來增強您的冷卻能力。

為了改進這種方法，CUI 的熱管理集團（俄勒岡州圖拉丁）宣布了一系列??采用專有?arcTEC 結(jié)構(gòu)的高性能 Peltier 模塊. 這種結(jié)構(gòu)在模塊冷側(cè)的陶瓷和銅之間采用導熱樹脂，并使用高溫焊料和由優(yōu)質(zhì)硅錠制成的較大 P/N 元件。樹脂層的彈性允許在正常操作的重復加熱和冷卻過程中發(fā)生熱膨脹和收縮，從而減少元件上的機械應力。反過來，減少的應力會導致更好的熱連接、卓越的機械結(jié)合，并且隨著時間的推移性能不會明顯下降。結(jié)合了高溫焊料和更大的硅元件，以實現(xiàn)更快、更均勻的冷卻。

圖 2：CUI 的高性能 Peltier 模塊?采用專有的?arcTEC 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在模塊冷側(cè)的陶瓷和銅之間結(jié)合了導熱樹脂。彈性樹脂層允許在正常操作的重復加熱和冷卻過程中發(fā)生熱膨脹和收縮。

CUI的CP20H、? CP30H、? CP39H、? CP60H、? CP85H?系列均采用arcTEC結(jié)構(gòu)，尺寸范圍從15到40mm，高度低至3.1mm。這些熱電模塊的 ΔTmax 為 77°C (Th=50°C)，額定電流范圍為 2.0 A 至 8.5 A。這些冷卻器適用于高密度、大功率醫(yī)療和工業(yè)應用以及制冷和不能選擇強制風冷的密封環(huán)境。

作為空氣的替代品，設計工程師也在研究液體冷卻。雖然液體冷卻主要用于超級計算機等產(chǎn)品，但現(xiàn)在正在考慮將該技術(shù)用于醫(yī)療、汽車、航空航天、醫(yī)療、半導體加工和 HVAC 應用中的重型冷卻。

最近，Advanced Thermal Solutions , Inc.（馬薩諸塞州諾伍德）宣布推出一系列采用高密度翅片制成的管到翅片、液體到空氣的熱交換器，以最大限度地提高從液體到空氣的熱傳遞。該設計允許將液體冷卻到比市場上其他熱交換器更低的溫度。熱交換器翅片和管由銅和不銹鋼制成，適用于各種流體，包括水、介電流體和定制設計的傳熱流體。熱交換器的熱傳遞能力高達 250 W，入口液體和入口空氣溫度之間每相差 1°C。

但對于大多數(shù)板級設計來說，散熱器仍然是提供局部冷卻的首選方法，只要關(guān)注發(fā)熱問題。此類匯也在不斷發(fā)展以解決特定來源。例如，對于功率電阻器，Ohmite 擴展了其W 系列散熱器產(chǎn)品線，為 TO-220 和 TO-247 功率電阻器或類似封裝的半導體提供了新尺寸。自對準 Ohmite W 系列散熱器具有用于通孔放置的可焊腳，集成夾提供 1.32 磅。施加在電阻器中心的力，以提高熱性能，同時減少零件數(shù)量和組裝時間。

CUI 的熱管理集團還增加了一系列鋁制散熱器，有擠壓和沖壓兩種版本，適用于 TO-218、TO-220、TO-252 和 TO-263 晶體管封裝。擠壓和沖壓散熱器提供鍍錫或黑色陽極氧化材料表面處理，可在垂直或水平方向上帶或不帶焊針。在自然對流環(huán)境中 75°C ΔT 時測得的熱阻低至 4.49°C/W，而在自然對流環(huán)境中 75°C ΔT 時的額定功率耗散測量高達 16.7 W。

在組件和散熱器的熱傳遞表面之間實現(xiàn)可靠、一致的熱傳遞路徑需要導熱材料，這些材料也在不斷創(chuàng)新。例如，Creative Materials, Inc.（馬薩諸塞州艾爾斯）最近推出了127-31，一種極其柔韌的單組份導熱環(huán)氧樹脂粘合劑。這種 100% 固體環(huán)氧樹脂粘合劑、密封劑和灌封化合物是電絕緣的，導熱率為 3.0 W/mK。127-31 具有高達 325°C 的熱穩(wěn)定性和出色的耐化學性。與傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)不同，127-31 的柔韌性可以在粘合具有不匹配 CTE（熱膨脹系數(shù)）的基板時吸收應力。典型應用包括印刷電路板制造、電源管理、先進材料復合材料、LED 附件和散熱器粘合。

在另一種導熱材料類型中，杜邦電子材料公司于 11 月推出了Temprion品牌的熱解決方案組合。Temprion 產(chǎn)品組合完全不含硅，目前包括導熱油脂、導熱填縫劑、電絕緣薄膜和粘合導熱膠帶。諸如手持設備、計算機、汽車電池和大功率電子馬達等散熱是主要問題的應用可以使用 Temprion 來提高性能。

然而，無論是風扇、鼓風機還是散熱器，選擇正確的冷卻設備都需要了解氣流要求、電路板布局和環(huán)境溫度。為了幫助開發(fā)人員，許多公司引入了仿真和建模軟件來表征設計的熱環(huán)境并幫助確定冷卻需求。

最新的工具之一是AavidGenie，這是一種 Web 工具，可讓開發(fā)人員（即使是經(jīng)驗有限的開發(fā)人員）在幾分鐘內(nèi)設計出有效、可制造的定制散熱器。在線工具是一種熱建模應用程序，可以根據(jù)需要在按次仿真付費的基礎上多次使用，并提供 3 次免費試用。該工具可按需為用戶提供報告、圖紙和模型，設計人員可以向 Aavid 索取其定制散熱器的原型或生產(chǎn)樣品。

審核編輯 黃昊宇