探讨热管理

电子行业近年来发展迅猛，已经成为我们日常生活的一部分。发展主要来自两个方面：单一设备的功能性提高和设备的小型化。这两种发展都增加了电力和能耗的需要量和产生量，从而增加热量和对设备内热管理的需求。

有许多不同的方法来去除或传递热能。台式电脑倾向于使用带风扇的铝制散热器。笔记本电脑利用热管和热接口材料将热源与风扇一起连接到金属机箱。最近，合成和天然石墨已被用于封闭环境，如智能手机，平板电脑，超薄超极本和其他面向电子设备的设备，其中风扇由于空间，环境或噪音限制而受到限制或无法使用。Boyd对热管理的讨论将包括许多不同设备和终端市场中的各种热应用。

热量与系统内势能和动能的低效传递有关。热能总是从较热的系统移动到较冷的系统。热量的传递或分散可以通过三种主要机制发生：传导，对流或辐射。

传导是通过分子和自由电子的振动和碰撞通过固体和/或液体的热量流动。这种传输方法在电子设备中最为常见，无论是否具有密封或通风系统。

计算给定系统的电导率梯度的公式为：

q = - kA （Δ T/Δ n）

其中Δ T/Δ n是区域A方向上的温度梯度，k是以W/m-k为单位通过实验得到的材料导热常数。

对流是通过流体（液体或气体）内的电流的热量流动。对流是物质在液相或气相中的体积的置换。这种机制在具有足够空间用于空气或液体循环的大型设备中很常见。

对流的公式：

q = hA （Ts - T ∞）

其中 h 是对流传热系数，A 是传热过程中隐含的面积，Ts 表示系统的温度，T∞ 是参考温度。

辐射是通过电磁波或光子传热;它不需要传播介质。辐射传递的能量以光速移动。例如，太阳辐射的热量可以在太阳表面和地球表面之间交换，而不会加热过渡空间。

计算辐射传递的热量的公式为：

q = e σ A [（ΔT）^4]

其中q是辐射传递的热量，E是系统的发射率，σ是Stephan-Boltzmann的常数（5.6697 * 10⁻⁸ W / m²。K⁴），A是辐射传热所涉及的区域，（ΔT）⁴是两个系统与第四个或更高功率之间的温差。

通过高级软件实现的计算模型允许分析系统的热特性，包括计算流体设计（CFD），计算传热（CHT），电源管理，电路设计和其他电子设计自动化（EDA）。良好的软件功能通过在器件设计锁定之前通过设计确认最有效的传热路径，最大限度地提高散热器或散热模块的价值。

基材：专为增强电子元件的热处理能力而开发，该子细分市场包括两相导热器，石墨导热器，金刚石导热器和硅基导热器。最近，石墨因其薄型，高面内导热性和低重量而被选为智能手机和其他密封系统设备的铅基板产品。

热管理产品的主要消费者居住在消费和企业电子、电信、汽车、医疗设备和工业应用等行业。最常见的热管理解决方案是用间隙焊盘等界面材料层压的散热器（图2中的铝或铜）或冷却器模块（图3中的热管）。如果设计允许，则安装风扇以加速散热。

在讨论系统设计引起的散热时，密封系统热管理是一个完全不同的话题。在开放式系统中，我们可以很容易地利用空气循环将热量交换到环境中。然而，密封系统通常没有空间容纳高大的散热器，并且本质上不允许设备内的空气流通。密封系统中最常见的热管理技术使用通常由石墨制成的热扩散器或屏蔽层来增加用于扩散热点的可用表面积，或者与气隙结合使用，保护敏感组件免受热源的影响。

石墨由于其层状分子结构，是各向异性的，这意味着它在平面上传播热量的速度比通过平面传播得快得多。因此，与各向同性材料（如金属）相比，石墨很好地消除了热点，金属在各个方向上均匀地移动热量，如图4所示。

石墨有两大功能：

热扩散：当与热源接触时，石墨在其表面积上传播热量，增加可用于散热的面积，并冷却热源。

热屏蔽：当石墨和热源之间设计有气隙时，石墨可以均匀地分布热点的热量，并降低设备相对侧的表面温度。

由于微电子在各个细分市场的广泛引入，以及对功能和可靠性的要求不断提高，热管理已成为技术世界几乎每个分支的重要问题，包括专业和消费电子系统以及汽车电子，机顶盒/家庭网关盒，LED灯和医疗设备。

从热管理的角度来看，设备功能的增加需要付出巨大的代价。器件工作频率和栅极数量正在迅速增加，以热量的形式耗散更多的功率。过热的积聚是电子系统故障的主要原因。电子行业报告显示，所有故障中有55%是由“温度”引起的，并进一步建议将电子元件温度降低10°C，平均寿命可以使设备的使用寿命增加一倍（请参阅伊利诺伊州电容器公司关于寿命计算器的Arrhenius化学活性定律报告）。

由于热量的产生代表了能源的低效使用，因此，一些全球节能和电源管理标准举措，如环境保护署（EPA）的能源之星，欧盟（EU）的蓝天使和计算机行业的高级配置和电源接口（ACPI），将热性能作为能源效率的例证，这是有道理的。

随着电子设备功率的增加，消费者已经看到媒体报道设备着火并讨论热失控理论。热失控是一系列相互叠加的温升周期性反应，将设备工作温度提高到临界水平，通常会导致设备因过热而关闭。在极少数情况下，热失控会导致点火，但到目前为止，没有直接证据表明过热会导致电子设备点火。在这些情况下，可能没有热管理机制故障，但消费者对设备过热导致点火的看法是我们通过在设备中设计适当的热量管理来尽量减少的。