文 件 综 述

1.1 课题研究背景

随着社会的进步，电子产品已经成为人们生产生活中的必备物品，在日常生活中扮演着越来越重要的角色。随着电子产业向高性能、微型化、集成化方向的发展，电子产品的散热问题越来越严重。而电子散热问题到电子设备的可靠性和使用寿命，是影响当今电子信息技术发展的一个重大瓶颈。国内外研究单位对解决电子器件的过热问题产生高度重视，并得到了很大的发展。

随着电子行业的快速发展，对电子产品体积提出了进一步小型化的要求。而随着芯片生产工艺的迅速发展，响应电子设备进一步小型化的要求，电子器件特征尺寸不断的缩小，微处理器的特征尺寸从1990 年的0.35μm 缩小到2000 年的0.18μm，现在已经缩小到0.06μm，下一代的生产工艺将使微处理器的特征尺寸减小到0.045μm^[1]。新的生产工艺在一定程度上能够降低芯片功率消耗，因此当新生产工艺应用到微处理器的生产中时，功耗较之前的芯片功耗要低很多。但同时新工艺又使得芯片的集成度、封装度以及工作频率不断提高。这样在有限的体积范围内，电子设备的功耗不断增长，热流密度急剧上升，导致电子设备工作温度的提高，从而引起电子设备的故障越来越多。1991 年的研究表明，温度引起的电子器件失效率高达55%^[2]。可见高温已经成为电子设备尤其是功率电子失效的主要原因^[3]。

电子器件的工作温度范围一般为-5~ 65℃，此外，微处理器极限温度不能超过85~100℃。超过这个范围，器件的性能将明显下降，不能正常工作，也影响系统运行的可靠性和使用时长。随着温度的升高，电子产品的可靠性和平均故障间隔时间（MTBF）急剧降低，其失效概率呈幂指数增长趋势^[4]。研究资料表明：单个半导体构件的温度每升高10℃，系统的可靠性降低50%^[5]。

因此，只要对电子设备耗热组件以及整机或者系统采用合适的冷却技术和结构设计，使设备在所处的环境条件下，保持在可靠性要求所规定的温度区间内，就能确保设备可靠、安全、高效的工作。为研究如何才能提高电子器件散热器的换热效率，本文提出金属泡沫填充式电子器件散热器，即对传统的翅片式电子器件散热器进行结构的改良，改变散热器翅片数量，并在散热器翅片间填充金属泡沫多孔介质，利用金属泡沫的特殊结构特性来提高散热器的换热性能。

1.2 电子器件典型的散热技术

目前比较成熟化的电子器件的散热方式^[6,7]，主要有以下几类：自然对流散热; 强制风冷散热; 液体冷却散热; 热管散热。

（1）自然对流散热技术

自然对流散热是利用设备中各个元器件间的空隙以及机壳的热传导、对流和辐射来达到散热目的。自然对流散热器由于性能稳定和花费低在特定环境下的使用受到欢迎，如LED路灯的散热问题。以前的大量研究主要集中在竖直放置的自然对流散热器，我国高一博^[8]对此进行了扩展，讨论和分析了水平布置的自然对流散热器的优化设计。鉴于边界层重合时，求解耦合方程组相对困难，利用实验关联式迭代相对容易地计算肋片的对流换热系数。在优化方法部分，计算不同肋片尺寸下散热器的总散热量，分别运用最少材料法、最小空间体积法、最小热阻法和层次分析法优化肋片尺寸满足散热要求。此外为了有效地去除从热源产生的明显的热量，经常遇到与散热片结合的散热器。当散热器在自然对流作用下时，添加的表面可能占据大量的空间和重量，。研究人员一直在研究不同类型的电子器件散热片散热器。Huang等人^[9]得出结论，对于向上布置，最佳热沉孔隙率为约83％，对于侧向布置为约91％。Goshayeshi和Ampofo ^[10]得出结论，垂直板垂直翅片能体现自然冷却的最佳性能。