特别报告：帮助电子组件保持凉爽的创新
作者：spencer chin，特约撰稿人
随着当今电子产品的尺寸不断缩小并朝着更高的工作频率发展，控制板级和电子外壳内部的温度仍然是设计工程师面临的主要挑战。工程师继续依赖已建立的冷却设备（风扇、散热器、热交换器、冷却模块）来将组件环境和结温保持在可管理的水平。但传统冷却设备设计的创新正在帮助抵消不断增长的热密度。
理想情况下，设计工程师希望在电路板和电子外壳中为处理和控制电子设备腾出尽可能多的空间。但是高速微处理器和 fpga 等较新的部件往往会产生更多的热量。由于环境空气流动本身通常不足以产生所需的散热，设计工程师发现他们需要添加辅助冷却装置——尽管它们增加了空间和复杂性——以实现必要的工作温度降低。
冷却风扇是一种经过验证的热管理方法，风扇制造商已经通过风扇来应对不断提高的热密度，在某些情况下，这些风扇比他们的前辈更小，但设计得更有效，可以移动大量空气。
例如， orion fans (dallas)的电子换向 (ec) 风扇提供 1,400 和 2,200 rpm 的标准风扇速度，气流值为 300 和 480 cfm。受热保护的无刷直流风扇在 –25°c 至 50°c 的温度范围内工作。电子换向允许这些直流风扇在交流电上运行，提供 115 和 230-vac 版本，以冷却大型、耗电的设备。
风扇也经常被要求在恶劣的环境中运行。例如，总部位于日本的 nmb technologies corporation 推出了一款ip69k等级的风扇，可防止灰尘和高温高压水进入。具有此认证的产品非常适合用于必须使用烫伤、高压擦洗对设备进行仔细消毒的应用。
nmb 的 ip69k 风扇有 12、24 和 48 vdc 可供选择，风量从 8 到 346 cfm。可用尺寸包括 40、60、92、120、150 和 175 毫米。风扇采用高可靠性金属外壳，在 25°c 时的预期寿命为 100,000 小时。
图 1：nmb technologies 的 ip69 风扇具有防尘和高温高压水保护。
热电 (peltier) 模块是一种将电流转换为温度梯度的固态器件，它提供了另一种控制电路板和外壳温度的主动方法。peltier 模块由两个面组成——热面和冷面。该模块充当热泵，因为它将热量从冷侧转移到热侧。tec 通过产生可以更轻松地移出系统的温差来增强您的冷却能力。
为了改进这种方法，cui 的热管理集团（俄勒冈州图拉丁）宣布了一系列 采用专有 arctec 结构的高性能 peltier 模块. 这种结构在模块冷侧的陶瓷和铜之间采用导热树脂，并使用高温焊料和由优质硅锭制成的较大 p/n 元件。树脂层的弹性允许在正常操作的重复加热和冷却过程中发生热膨胀和收缩，从而减少元件上的机械应力。反过来，减少的应力会导致更好的热连接、卓越的机械结合，并且随着时间的推移性能不会明显下降。结合了高温焊料和更大的硅元件，以实现更快、更均匀的冷却。
图 2：cui 的高性能 peltier 模块 采用专有的 arctec 结构，该结构在模块冷侧的陶瓷和铜之间结合了导热树脂。弹性树脂层允许在正常操作的重复加热和冷却过程中发生热膨胀和收缩。
cui的cp20h、 cp30h、 cp39h、 cp60h、 cp85h 系列均采用arctec结构，尺寸范围从15到40mm，高度低至3.1mm。这些热电模块的 δtmax 为 77°c (th=50°c)，额定电流范围为 2.0 a 至 8.5 a。这些冷却器适用于高密度、大功率医疗和工业应用以及制冷和不能选择强制风冷的密封环境。
作为空气的替代品，设计工程师也在研究液体冷却。虽然液体冷却主要用于超级计算机等产品，但现在正在考虑将该技术用于医疗、汽车、航空航天、医疗、半导体加工和 hvac 应用中的重型冷却。
最近，advanced thermal solutions , inc.（马萨诸塞州诺伍德）宣布推出一系列采用高密度翅片制成的管到翅片、液体到空气的热交换器，以最大限度地提高从液体到空气的热传递。该设计允许将液体冷却到比市场上其他热交换器更低的温度。热交换器翅片和管由铜和不锈钢制成，适用于各种流体，包括水、介电流体和定制设计的传热流体。热交换器的热传递能力高达 250 w，入口液体和入口空气温度之间每相差 1°c。
但对于大多数板级设计来说，散热器仍然是提供局部冷却的首选方法，只要关注发热问题。此类汇也在不断发展以解决特定来源。例如，对于功率电阻器，ohmite 扩展了其w 系列散热器产品线，为 to-220 和 to-247 功率电阻器或类似封装的半导体提供了新尺寸。自对准 ohmite w 系列散热器具有用于通孔放置的可焊脚，集成夹提供 1.32 磅。施加在电阻器中心的力，以提高热性能，同时减少零件数量和组装时间。
cui 的热管理集团还增加了一系列铝制散热器，有挤压和冲压两种版本，适用于 to-218、to-220、to-252 和 to-263 晶体管封装。挤压和冲压散热器提供镀锡或黑色阳极氧化材料表面处理，可在垂直或水平方向上带或不带焊针。在自然对流环境中 75°c δt 时测得的热阻低至 4.49°c/w，而在自然对流环境中 75°c δt 时的额定功率耗散测量高达 16.7 w。
在组件和散热器的热传递表面之间实现可靠、一致的热传递路径需要导热材料，这些材料也在不断创新。例如，creative materials, inc.（马萨诸塞州艾尔斯）最近推出了127-31，一种极其柔韧的单组份导热环氧树脂粘合剂。这种 100% 固体环氧树脂粘合剂、密封剂和灌封化合物是电绝缘的，导热率为 3.0 w/mk。127-31 具有高达 325°c 的热稳定性和出色的耐化学性。与传统的环氧树脂系统不同，127-31 的柔韧性可以在粘合具有不匹配 cte（热膨胀系数）的基板时吸收应力。典型应用包括印刷电路板制造、电源管理、先进材料复合材料、led 附件和散热器粘合。
在另一种导热材料类型中，杜邦电子材料公司于 11 月推出了temprion品牌的热解决方案组合。temprion 产品组合完全不含硅，目前包括导热油脂、导热填缝剂、电绝缘薄膜和粘合导热胶带。诸如手持设备、计算机、汽车电池和大功率电子马达等散热是主要问题的应用可以使用 temprion 来提高性能。
然而，无论是风扇、鼓风机还是散热器，选择正确的冷却设备都需要了解气流要求、电路板布局和环境温度。为了帮助开发人员，许多公司引入了仿真和建模软件来表征设计的热环境并帮助确定冷却需求。
最新的工具之一是aavidgenie，这是一种 web 工具，可让开发人员（即使是经验有限的开发人员）在几分钟内设计出有效、可制造的定制散热器。在线工具是一种热建模应用程序，可以根据需要在按次仿真付费的基础上多次使用，并提供 3 次免费试用。该工具可按需为用户提供报告、图纸和模型，设计人员可以向 aavid 索取其定制散热器的原型或生产样品。
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理想情况下，设计工程师希望在电路板和电子外壳中为处理和控制电子设备腾出尽可能多的空间。但是高速微处理器和 fpga 等较新的部件往往会产生更多的热量。由于环境空气流动本身通常不足以产生所需的散热，设计工程师发现他们需要添加辅助冷却装置——尽管它们增加了空间和复杂性——以实现必要的工作温度降低。
冷却风扇是一种经过验证的热管理方法，风扇制造商已经通过风扇来应对不断提高的热密度，在某些情况下，这些风扇比他们的前辈更小，但设计得更有效，可以移动大量空气。
例如， orion fans (dallas)的电子换向 (ec) 风扇提供 1,400 和 2,200 rpm 的标准风扇速度，气流值为 300 和 480 cfm。受热保护的无刷直流风扇在 –25°c 至 50°c 的温度范围内工作。电子换向允许这些直流风扇在交流电上运行，提供 115 和 230-vac 版本，以冷却大型、耗电的设备。
风扇也经常被要求在恶劣的环境中运行。例如，总部位于日本的 nmb technologies corporation 推出了一款ip69k等级的风扇，可防止灰尘和高温高压水进入。具有此认证的产品非常适合用于必须使用烫伤、高压擦洗对设备进行仔细消毒的应用。
nmb 的 ip69k 风扇有 12、24 和 48 vdc 可供选择，风量从 8 到 346 cfm。可用尺寸包括 40、60、92、120、150 和 175 毫米。风扇采用高可靠性金属外壳，在 25°c 时的预期寿命为 100,000 小时。
图 1：nmb technologies 的 ip69 风扇具有防尘和高温高压水保护。
热电 (peltier) 模块是一种将电流转换为温度梯度的固态器件，它提供了另一种控制电路板和外壳温度的主动方法。peltier 模块由两个面组成——热面和冷面。该模块充当热泵，因为它将热量从冷侧转移到热侧。tec 通过产生可以更轻松地移出系统的温差来增强您的冷却能力。
为了改进这种方法，cui 的热管理集团（俄勒冈州图拉丁）宣布了一系列 采用专有 arctec 结构的高性能 peltier 模块. 这种结构在模块冷侧的陶瓷和铜之间采用导热树脂，并使用高温焊料和由优质硅锭制成的较大 p/n 元件。树脂层的弹性允许在正常操作的重复加热和冷却过程中发生热膨胀和收缩，从而减少元件上的机械应力。反过来，减少的应力会导致更好的热连接、卓越的机械结合，并且随着时间的推移性能不会明显下降。结合了高温焊料和更大的硅元件，以实现更快、更均匀的冷却。
图 2：cui 的高性能 peltier 模块 采用专有的 arctec 结构，该结构在模块冷侧的陶瓷和铜之间结合了导热树脂。弹性树脂层允许在正常操作的重复加热和冷却过程中发生热膨胀和收缩。
cui的cp20h、 cp30h、 cp39h、 cp60h、 cp85h 系列均采用arctec结构，尺寸范围从15到40mm，高度低至3.1mm。这些热电模块的 δtmax 为 77°c (th=50°c)，额定电流范围为 2.0 a 至 8.5 a。这些冷却器适用于高密度、大功率医疗和工业应用以及制冷和不能选择强制风冷的密封环境。
作为空气的替代品，设计工程师也在研究液体冷却。虽然液体冷却主要用于超级计算机等产品，但现在正在考虑将该技术用于医疗、汽车、航空航天、医疗、半导体加工和 hvac 应用中的重型冷却。
最近，advanced thermal solutions , inc.（马萨诸塞州诺伍德）宣布推出一系列采用高密度翅片制成的管到翅片、液体到空气的热交换器，以最大限度地提高从液体到空气的热传递。该设计允许将液体冷却到比市场上其他热交换器更低的温度。热交换器翅片和管由铜和不锈钢制成，适用于各种流体，包括水、介电流体和定制设计的传热流体。热交换器的热传递能力高达 250 w，入口液体和入口空气温度之间每相差 1°c。
但对于大多数板级设计来说，散热器仍然是提供局部冷却的首选方法，只要关注发热问题。此类汇也在不断发展以解决特定来源。例如，对于功率电阻器，ohmite 扩展了其w 系列散热器产品线，为 to-220 和 to-247 功率电阻器或类似封装的半导体提供了新尺寸。自对准 ohmite w 系列散热器具有用于通孔放置的可焊脚，集成夹提供 1.32 磅。施加在电阻器中心的力，以提高热性能，同时减少零件数量和组装时间。
cui 的热管理集团还增加了一系列铝制散热器，有挤压和冲压两种版本，适用于 to-218、to-220、to-252 和 to-263 晶体管封装。挤压和冲压散热器提供镀锡或黑色阳极氧化材料表面处理，可在垂直或水平方向上带或不带焊针。在自然对流环境中 75°c δt 时测得的热阻低至 4.49°c/w，而在自然对流环境中 75°c δt 时的额定功率耗散测量高达 16.7 w。
在组件和散热器的热传递表面之间实现可靠、一致的热传递路径需要导热材料，这些材料也在不断创新。例如，creative materials, inc.（马萨诸塞州艾尔斯）最近推出了127-31，一种极其柔韧的单组份导热环氧树脂粘合剂。这种 100% 固体环氧树脂粘合剂、密封剂和灌封化合物是电绝缘的，导热率为 3.0 w/mk。127-31 具有高达 325°c 的热稳定性和出色的耐化学性。与传统的环氧树脂系统不同，127-31 的柔韧性可以在粘合具有不匹配 cte（热膨胀系数）的基板时吸收应力。典型应用包括印刷电路板制造、电源管理、先进材料复合材料、led 附件和散热器粘合。
在另一种导热材料类型中，杜邦电子材料公司于 11 月推出了temprion品牌的热解决方案组合。temprion 产品组合完全不含硅，目前包括导热油脂、导热填缝剂、电绝缘薄膜和粘合导热胶带。诸如手持设备、计算机、汽车电池和大功率电子马达等散热是主要问题的应用可以使用 temprion 来提高性能。
然而，无论是风扇、鼓风机还是散热器，选择正确的冷却设备都需要了解气流要求、电路板布局和环境温度。为了帮助开发人员，许多公司引入了仿真和建模软件来表征设计的热环境并帮助确定冷却需求。
最新的工具之一是aavidgenie，这是一种 web 工具，可让开发人员（即使是经验有限的开发人员）在几分钟内设计出有效、可制造的定制散热器。在线工具是一种热建模应用程序，可以根据需要在按次仿真付费的基础上多次使用，并提供 3 次免费试用。该工具可按需为用户提供报告、图纸和模型，设计人员可以向 aavid 索取其定制散热器的原型或生产样品。
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