大功率元件的散热
大功率晶体管是指功率大于l w的晶体管，此时，完全靠管壳及引线不能把热量迅速
散走，需要加专门的散热装置——散热器。对集成电路而言，当热流密度大于o．6w／cm2
时，也需要用散热器，本节以晶体管为讨论对象，其方法和结构适用于集成电路。
图5—22(a)是带散热器的晶体管模型。管壳往往就是晶体管的集电极，管壳安装在
散热器上，为了使管壳与散热器电绝缘，以及提高晶体管与散热器的接触质量，常常在管
壳与散热器之间垫一层对电绝缘，但导热性能好的电绝缘片。图5—22(b)是散热途径方
框图，图中丁s为环境温度。晶体管的耗散功率Pc使集电结产生结温76，集电结的热量
向管完传递，受到阻力为入，称为内热阻，管壳的温度为7c，管壳分两路将热流散到环
境尸路是直接向周围的环境传热，热阻为只I，称为外热阻，该热阻通常很大，因管壳的
面积小，亿宾微电子电力网桥其向环境的辐射和对流传热很困难；另一路是管壳的底部通过绝缘片传到散热
器，散热器再向周围的环境传热。散热器的温度为7f，从管壳到散热器之间的热阻即为
只2b，它由绝缘片的传导热阻和绝缘片上下两面的两个接触热阻组成。
空速管 自散热器向环境的传热热阻为R4，是散热器本身具有的热阻。因散热器的选材
和形状、面积、表面状态上都做了合理的设计，所以散热热阻较小，往往六远小于
只TP，即通过：管壳一垫片一散热器‘环境。这一路的散热比“管壳*环境”这一路的散
热效率要高很多。这里的关键是要选择合适的散热器。图5—23为目前计算机中常用
的散热器。
2．7 其他形式的散热方式
(1)单个电子元器件的强迫空气冷却
aoao3 在整机及机柜中只有单个元件需要冷却时，例如雷达发射机中的大功率磁控管、行波
管、调制管、阻尼二极管等需要集中风冷。为了提高冷却效率，可设计一个专用风道，把发
热器件装入风道内冷却。
(2)整机抽风冷却
抽风冷却主要适用于热量比较分散的整机或机箱。热量经专门的风道或直接排到产
品周围的大气中。ATMEL代理商抽风的特点是风量大、风压小，各部分风量比较均匀。因此，整机的抽
风冷却常用在机柜中各单元热量分布比较均匀，各元件所需冷却表面的风阻较小的情况。
由于液体的导热系数及比热均比空气大，因而可以大大减小各有关换热环节的热阻，
提高冷却效率。因此，液体冷却是一种比较好的冷却方法。其缺点是系统比较复杂，体积
和重量比较大，产品费用高，维修也比较困难。
(1)直接液体冷却
所谓直接液体冷却，就是将冷却液体与发热的电子元器件直接接触进行热交换。热源将热量传给冷却液体，再由冷却液体将热量
传递出去。在这种情况下，冷却液体的对流和
某型号的水冷系统。
①无搅动的直接液体冷却
电子元器件装在一个密封的机壳里，里面
充满冷却液体。这种装置的传热途径是：发热
元器件的热量通过液体的自然对流及导热传
给液体，液体将吸收到的热量传给机壳，最后
由机壳将热量散发到周围空气中去。它与风冷相比较，主要是降低了从元器件到周围介质的对流热阻，大约可降低一个数量级。
设计这种产品时要注意下面问题：
．所选用的冷却液，其电气性能应能满足机内元器件之间的电气绝缘要求，其教度
尽量低，以利于液体的自然对流；
．机壳要解决密封问题，灌注冷却液体后，机壳内部耍留有
受热膨胀的要求；
．机壳要有足够的强度；
．元器件的配置要有利于液体的自然对流；
·定的间隙，以适应液体
．产品的维修要方便，对一次性使用的产品，可不考虑这个问题。
②有搅动的液体冷却产品
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加搅动的目的是为了加强冷却液体的对流换热，对强度大的液体更为适用。采用这
种冷却方法时，必须考虑下列附加因素：电机的尺寸、转速、搅动杆的叶片数以及杆和叶片
材料与液体的化学相容性等。同时要注意机壳的密封性并保证其强度，还要留有一定的
热膨胀空间。
③直接强迫液体冷却
直接强迫液体冷却系统包括低压泵、管路、热交换器和膨胀箱等。低压泵式冷却液在
系统中循环；膨胀箱可作为液体受热膨胀的补偿及防止系统被蒸汽堵塞之用；热交换器将
受热的液体冷却后由泵送回到储浓箱内。这种系统应注意元器件的排列，以达到最佳冷
却效果。若泵压力较高，则应防止高压液流直接冲向脆弱的电子元器件。
(2)间接液体冷却Atmel
无框画
间接液体冷却主要利用的是导热模块。具有高组装密度的多芯片模块(MCM)的热
量，用一般的冷却技术(如风冷)已无法满足要求，特别是对那些大型计算机的高性能做处
理器更是如此。图5—25是IBM 308l计算机中的檄处理器的导热模块结构示意图，每个
压砖机导热模块包含多层陶瓷基板、118个芯片、导热活塞、加载弹簧、模块罩、氮气和水冷却板
等，冷却液与发热芯片不直接接触。实验证明，功耗为4w的芯片．当冷却水的入口温度
为24℃时，芯片的表面温度达59℃。
(3)冷却剂
电子产品用的冷却剂其特性主要有以下几个方面。
①冷却剂的物理特性包括导热系数、比热、密度、教度、膨胀系数、表面张力等
②物理特性：使用冷却剂的方便性和安全性，包括适当的沸点和冰点。对密封产品，要求冷却剂的表面张力低一些。选择尽量高的闽点、憋点和自燃温度，以及尽可能低的易燃性。 ②电气特性；包括介电强度、体积电阻串、介电常数和损耗因素等。 ④相容性：与元器件的相容性要好，不产生化学反应，热稳定性好，不易挥发。 ⑤经济型：成本要低。 由于传热是一个复杂的过程，涉及的因柬又如此之多来比较各种冷却剂的冷却效果。 3．电子产品的蒸发冷却 物质从液态变为气态的过程称为汽化。汽化有两种形式；一种是仅在液体自由表面上进行的汽化．称为蒸发，这种蒸发在各种温度下都能发生；另一种不仅在被面，而且在浓体内部同时进行的汽化，这种汽化称为跺脚。不论是蒸发还是沸腾，都需要吸收一定的热量。例如，在一个大气压下，1000g水变成蒸汽要吸收627w的热量(汽化热)。 电子产品的蒸发系统的组成，如图5—26所示。整个系统由发射管、蒸发锅、冷凝器：水压控制箱、压力连锁开关以及各种管系等主要部件组成。
当置于蒸发锅里的发射管工作时，会将自身耗散的热量传给水，水达到饱和湿度后开
始蒸发。蒸汽经蒸发管道进入冷凝器，冷凝水沿回水管道又退回蒸发锅，形成一个循环。
为了防止蒸发朗水位下降，使阳极暴露于水面造成局部过热而烧毁，通常没有均压管，使
水箱和蒸发锅的水面处于同一水平面．以保证必要的水位。单片机
蒸发冷却主要用来给大型电子产品冷却降温。wxq$#
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