【应用】爱美达可为生物光子器件提供从全金属散热器到更先进技术的热解决方案

选择合适的技术可以提高性能，使设计人员能够实现更小的封装尺寸，延长组件的寿命，并满足触摸温度标准。

由于热机械应力和腐蚀腐蚀，生物光子晶体器件、封装和系统在高温下易发生性能变异和失效。但是光学性能取决于材料和元件的一致性能。尤其有问题的是，具有高功率密度的设备会产生热点，这可能会严重破坏性能。因此，生物医学激光器、大功率led和超发光二极管的设计者在设计过程中会更早地评估热管理，寻找解决方案。

这个铝挤压散热器的例子利用了自然对流。

通过合理的热管理，设计人员可以减少尺寸和重量，降低能耗，提高可靠性和精度。适当的热管理还可以延长设备的使用寿命，并帮助设计师满足温度限制，包括iec60601触摸温度。生物光子的应用范围从手术和美容激光到成像设备和诊断仪器。考虑到这种多样性，考虑不同类型的热管理的优点是值得的。

今天的热挑战

光学滤波器、准直器、激光二极管、探测器和其他高热流密度元件产生的集中热负荷需要被耗散。否则，随着温度的变化，具有不同热膨胀系数(CTE)的材料会以不同的速率膨胀和收缩，从而对总成产生机械应力。与大多数电子元件一样，光电子元件的工作寿命随着工作温度的升高而降低，可以用阿伦尼乌斯方程来表示。

微热流引起的位移与蠕变、应力变形和材料老化有关，这些都会影响光子晶体的性能和寿命。医疗设备有额外的热挑战。IEC 60601标准规定了可接触病人或工作人员的医疗设备的允许接触温度限制。对于金属，允许的温度低至43摄氏度，对于导电性能较差的材料，如塑料，允许的温度稍高一些。

常见的光子器件热解决方案从全金属散热器到更先进的技术，如难熔金属均热板和多孔金属液体冷板。它们还包括热界面材料(TIMs)，尽管TIMs更多的是与几乎所有的热解决方案一起使用的辅助项目。

• 热界面材料

热系统的配合部件之间经常使用TIMs，以确保接触一致和可靠的传热。由于这些材料的热导率很低，所以键线应该尽可能的薄。但是，如果键合线太细，就会出现空隙，这会对性能产生重大影响。TIMs有多种选择，如间隙垫片、润滑脂、箔片、相变材料(PCMs)、环氧树脂和焊料。

难熔金属允许热地平面(TGP)直接附着在电子元件模具上。

选择合适的TIM通常取决于与尺寸、导热性、可移除性、导电性、化学兼容性和允许的附着方法相关的要求。

热焊料被认为是性能最好的;然而，他们可能具有挑战性的工作，需要承受高温，并打算永久固定。紧随其后的是环氧树脂，虽然它们的热导率较低，而且也用于永久附着，但更容易使用。热润滑脂或膏状物的性能与环氧树脂相似。尽管它们很脏，最终会变干，但它们很容易拆卸。

退火后的热解石墨的导电性是室温下铜导电性的4倍，低温下的6倍。然而，这些高导电率只在X-Y方向。铝或铜孔可以插在热源下面，将热量送入石墨。

间隙垫和薄膜是软的，并提供了最符合的尺寸变化的配合部分。它们通常在一面或两面有自粘性，便于附着和更换。缺点是它们往往更厚，这可能导致更高的热电阻。它们可以包括陶瓷、铝或石墨，以增加导热系数或增加其工作温度范围。pcm的电导更低。一旦加热，它们就会变软，以便更好地填补配套部件之间的空隙;一旦冷却，它们会与配套部件形成轻键，但仍然可以很容易地移除。

散热器

金属散热器通过基座传导热量给空气侧翅片。目前最常见和最经济的散热器材料是铝，其次是铜。发热部件安装在基座上，空气侧翅片通过自然对流或使用风扇强制对流的方式向周围空气释放热量。

设计人员应根据气流速度考虑优化翅片类型、间距和厚度。根据需要的性能级别，这可能需要计算流体动力学软件。虽然优化有助于提高性能，但它也可以帮助设计人员满足噪音限制，实验室和卫生保健设施的噪音限制通常为45 dBA。

当热负荷过于集中时，一个基本的散热器将不能在其底部均匀地传热，导致空气侧翅片上的热分布不均匀。不均匀的热量分布使散热器的效率更低，因为只有一部分散热鳍片有效地对流热量。

热管和均热板

有几种方法来改善热扩散整个散热器基地，以增加空气侧翅片面积的效率和有效性。最常见的解决方案是应用热管技术。

热管是两相传热装置，具有极高的导热系数。在最简单的形式中，热管是由一个沿长度方向具有内部芯结构的真空管组成的。液体被插入真空管。当加热时，液体吸收并蒸发。蒸汽通过真空扩散到较冷的地方，在那里凝结成液体并释放热量。灯芯将液体输送回热源，循环往复。

热证明表明热管散热器(右)的导热性优于铝型材散热器(左)。

热管的极限导热系数通常是导热系数为390 W/m·K的铜的10到1000倍。因为热管是无源的，没有活动部件，所以构造良好的热管非常可靠。在几十年的持续使用之后，许多系统仍然在运行，性能下降幅度很小。

热管最常用来冷却具有集中热负荷的大功率电子产品，尽管它们被广泛用于各种应用，甚至在必要时用于加热组件。与它们名字的含义相反，热管也可以加工成各种形状和尺寸。平面形式的热管被称为均热板。它们的平面形式有利于高效的横向热扩散。均热板的厚度一般在0.75到4mm之间。

最常见的热管配方包括铜管、铜芯和水。但是它们可以由不同的材料和不同的工作流体制成，以处理各种各样的操作条件。对于高温，热管可以由难熔金属合金制成，如铼、钼和钨，这些合金可以处理在几秒钟内将铜熔化的高温。传统热管技术可以处理高达350 W/cm2的热通量，均热板可以处理700 W/cm2，而难熔金属热管可以处理高达127000 W/cm2。

难熔金属的热膨胀系数也很低，类似于硅和陶瓷。这使得诸如热地平面之类的难熔金属热管可以直接连接到电子元件模具上，而无需使用导电性很差的标准基板。因为难熔金属会以相同的速度膨胀和收缩，所以在整个热循环过程中，这种组装可以保持其结构的完整性。

热管和均热板通常集成在散热器的基座上，以改善热量向空气侧翅片的扩散。它们还可以用来将热量从热源转移到远程散热器。在许多情况下，热管技术提高了性能，足以消除对风扇的需求。

退火热解石墨热扩散器

石墨是一种轻质、高导电性的材料，其导电性在室温下是铜的四倍，在低温下是铜的六倍。APG的电导率不随尺寸变化，而热解石墨的电导率随厚度变化。然而，对于这两种材料，高电导率只在X-Y方向。在Z方向的导热性较差，但铝或铜的孔可以插入热源下方，将热量输送到石墨中。

APG是由碳平面构成的，这些碳平面由弱范德华力连接在一起，因此它们可以很容易地脱层。因此，APG几乎总是封装在其他材料中，如铝。它可以加工成不同的尺寸和配置。

液体冷却板

液体冷却通常涉及液体通过一个板和附加板的热源。液体吸收热量，然后将其循环到一个点，在那里热量可以被散发到环境中。

有四种主要类型的液体冷板用于光子学应用:

管中板由管压制成板，通常为蛇形图案，以指导液体流动通过更大的表面积。这种热管理技术可以扩展到使用相对较低的热通量处理较大的区域。这项技术通常是设计师首先尝试的，因为它往往是低成本的。它还提供较低的性能级别。

钎焊板的设计包括在配合面上连接两个带有凹槽的板，形成一个带有内部凹槽或通道的板，以便液体通过。这种解决方案提供了更好的性能比管板技术，以较少的整体质量。虽然它的热通量能力仅略高于管中板设计，但它在大范围散热方面特别有用。板材可以用两种方法粘合。保护气体钎焊(CAB)将元件连接在部分密封的炉内。将组件加热到指定的时间点。焊剂材料开始沿着元件的配合边熔化。然后温度降低，随着焊剂变硬，这些成分结合在一起。

与CAB相比，真空钎焊提供了更牢固、更可靠的结合，尽管这是一个更耗时的过程。与焊剂不同的是，用预先切割好的箔片代替焊剂，使元件在元件之间熔化，从而有助于粘合。组件在真空下加热，以防止杂质的引入削弱键合线。真空钎焊主要用于低批量生产，而CAB可满足大批量生产的性能要求。

微通道增加了接触表面的数量，可以处理高达1000 W/cm2的热通量。这种选择非常适合冷却高功率密度的电子和光学元件。

微通道将直径小至0.2毫米的通道整合到一个板中，这增加了与流动液体接触的表面积，超出了板中管和钎焊热管理技术所能提供的范围。这使得微通道技术能够在更少的空间中消耗更多的热量，并能够处理高达1000 W/ cm2的热通量。此选项更适合于冷却超高功率密度的电子和光学元件。

多孔金属进一步增加了与循环液体接触的表面量，从而进一步提高了热交换率。通过这种技术，液体在多孔金属介质中循环，多孔金属被烧结成板状，几乎像蜂窝一样，这是一个理想的解决方案。集中热负荷产生高热流和温度，如与大功率激光二极管。可以定制多孔金属技术以适应超过5000 W/cm2的热通量。

每种热流热工技术的一般性能都有限制(见上表)。但是每个应用的性能会有所不同。在应用热管理解决方案时，设计师要在尺寸、重量、热负荷、使用寿命、噪音限制、热性能和成本之间进行权衡。重要的是要与热管理专家讨论权衡，以确定适当的解决方案和预期的性能。