喷雾冷却公司的电子系统设计者已为美空军MQ-1掠食者无人飞机提供了喷雾冷却的电子设备。

导读：过去系统设计者习惯于通过不断增加晶体管数量来提升电子系统的的性能，但随着不断增加的热量以及去除这些热量的需求，也许很快不得不重新思考他们的设计方法，这种通过强力通风的方法实现系统性能或许已经过时。

从甚高能量的定向能武器到更加紧凑的三维芯片堆，从网络中心战演练室到光纤操纵全电商用喷气客机，随着每一种新一代的部件从军用或商用的研发实验室推出，先进热量处理需求在芯片、电路板到机箱层面的重要性和复杂性不断提高。

“业界正面临在跨越下一代解决方案方面越来越迫切的需求，”位于马里兰州贝兹维尔的ATK空间系统公司负责宇宙飞船系统和服务运营的副总裁史迪文·克林说。“最后考虑热设计是一种倒退的方法，如果我们能够深入机箱内部帮助推动芯片、电路板和机箱的设计，将会从整个飞行器层面上形成更加灵活的设计构架。”

在一个SWAP（即尺寸、重量和电力）驱动的世界中，一面是更小更快更密集更热的集成电路，另一面是多功能传感器融合电路板和不断增加的高技术在线可更换单元（LRUS）。解决温度的极限意味着不仅要考虑热量的源点，也要通过包装从平台去除多余的热量。

“许多技术被用于元件层级，使用更好的材料或者散热手段是局部考虑的问题，但是你仍然要把热导出机箱或载具。它们仍然要冷气带走热量，”来自华盛顿自油湖喷射冷却公司的销售和市场部执行副总裁乔·巴德雷说，“一般情况下采用液体冷却，特殊采用喷雾技术可以解决了所有问题，即从元件上去除热量并排到载具的周围环境中。”

加利弗尼亚伊尔文麦克特防务系统公司负责热系统商务发展的高级主管格罗德·杰尼克同意现存的致力于解决单个热处理需求的方法，尽管最好的全面解决方案是采用一种适用于多种性能要求的新颖构架。

“许多更加精美的解决方案，象喷雾冷却也有它们的用武之地，”杰尼克说。“但是设计能更好地把产生的热能传导到侧墙或传导到固定在边墙上的表面材料的接口板，这样以来，结合被动、主动或液体散热方案，对大家意味着更低的成本，我们正寻找所有跨电路板的相关技术并且集合一些用来满足一个系统解决方案。”

一旦SWAP需求确定，工程师必须确定载具内部系统的可用性，并一直深入到最基本的手段—强力通风。

“200瓦功耗的风冷却对于一个板卡来说是困难的，液体冷却，作为一种当今人们衷爱的方式，也只能从周围环境带走有限的热量—比如说600瓦；除非你在环路中设有热交换器，否则会变得很困难。”杰尼克说。“如果你没有足够的电力，你可以通过致冷来冷却液体；如果你有电力来从事热电转换，但是一般也只能做到输入3千瓦电得到1千瓦的输出。所以对于这些技术，我们不得不作一个聪明的消费者。”

奈克斯垂姆公司已发展出一种微型薄膜温差发电机，可以把热量直接转化为电。

热量处理研究

热量处理已经成为军用、商用制造商和学界的优先考虑，这些包括空军研究实验室的电力和热量处理技术发展计划，海军研究实验室的热量处理探索和发明计划，防御先进研究项目署（DARPA‘S）的终极能力混合热量底板发展计划，以及数十项合作和学术研究发展成果。

一位独立的在热量管理和合成材料方面的顾问卡尔·自韦本博士，说 “新材料在持续开展的基础上得到了发展，但是在我看来，我们仍然处于这项技术的幼稚期”，“这些新材料就是给设计工程师或包装工程师更多的选择范围，但是了解可能的需求而去做些发展工作来引入新材料到你的设计和制造过程，这有太多的不同需求，包括重量，成本，以及一个通用解决方案的风险程度。”

做为分部工作人员和通用电器宇航集团卓越合成中心的主任，自韦本说，热应力和热散逸问题引发了低热膨胀系数（CTE）的传统热量处理材料的发展。

虽然早期的努力存在如何平衡热膨胀系数、密度和导热性的问题，“大约5年或10年前，有着低膨胀和更好导热性的新材料出现了。这些材料用于包装各种采用硅、砷化镓和金钢砂制成的高温半导体”

过去十年间新的热量处理材料纷纷面市，包括合成物，象金钢粒子强化的铝、银或者铜；采用金钢粒子强化的金钢砂陶瓷基；金钢粒子强化的钴和碳基材料，天然石墨和高定向性能的热解石墨（HOPG）。

“最便宜和最有效的方法，首先当然是自然对流，接着是强力对流，这意味着你放了一把扇子，当然也意味着你消耗电力和增加重量，”自韦本补充道。“再有就是你利用热管和泵液冷却，但是这些很昂贵，所以这些技术既有优点也有缺点。不管你采取何种方法，如果周围环境的温度有较大偏移，你将面临来自热的压力。”

系统设计者在解决军用电子设备应用方面的热量处理时必须考虑3个基本的问题：足够高的导热性以便散热，低的热鼓胀系数（CTE）以便减少热应力和焊接附着，低密度的热接口材料（TIM）。

喷雾冷却公司把喷雾冷却用于它的8槽植入式计算机底架，用于恶劣环境应用，比如航空电子。

折衷设计

“如果你用一个含硅的铜散热器，铜有高的膨胀，所以你被迫采用合适的低密度接口材料－聚合体（胶）或者焊料，用来提供最低的热阻，”自韦本说。“但是如果热膨胀系数有很大的差异，你不能用硬钎焊。”

电子设备确实开始推动冷却系统在地面平台上的需求，杰尼克说“当他们开始为新坦克加装设备时，我们意识到尽管这儿有些冷却系统，但它对于新加的100瓦的系统来说是不够的，”他说。“指挥官现在用触摸屏指挥台，发现面板高于95华氏度将不能分辩是人的触摸或其它东西。”

每种环境都有自己独特的问题，从防护伊拉克的细砂堵塞由外到里的抽风装置，到为避免隐形飞机上的尖端热信号，以及飞船发射后可能出现的无法纠正的问题。在飞行器、飞船和人载野战装备等方面，重量也是一个重要的考量。对于船载应用，高海情或者爆炸都会产生密集的载荷应力。

重量和尺寸对飞船设计如此重要，对于在狭小空间或者没有维修能力的失重、酷热和高辐射环境中的操作带来了全新的热量处理方面的问题。在设计未来的人造卫星和为人打造的平台时，工程师必须考虑把更高流量和更高能耗电子部件限制到更低程度，这也不断引起了在航空载具层次上的挑战和适应性。

持续的针对商用成品元件需求也推动了空基方面的需求，不仅用于缓解进度压力，也同时减少了成本。对于打算运行数年免维护的载荷，更高的热流量水平及其解决方法使得热量处理工程师在早期成为设计过程的一部分显得越来越重要，能够使他们尽可能从最基础的元件水平上来应对整个设计构架。

这张特写是喷雾冷却公司为美空军MQ-1掠食者无人机提供的喷雾冷却底架

太空冷却

“在太空解决方案中，我们试着尽可能地采用热量控制工具集成“搭积木，但是应用这些独特的解决方案有时需要专门定制，” ATK的克林解释说。“这也有两个分支，即载人的和非载人空间环境。对于内部的居住要求，这些低水平的对流冷也是很奢侈的，这些元件在无人宇宙飞船中没有。”

需要传导和更高要求的输送设备，双相或者下一代合成物，用于辐射到空间中更加有挑战性。空间环境的极端情况，象星蚀持续期、太阳冲击等等，使得象冷冻耐受度等相对于地基系统更加值得关注。

下一代热量控制的进化和发展在太空中的应用远比地面和航空系统缺乏灵活性和友好性，使得解决方案的成熟与否成为所有此类系统发展中首要考虑因素。“如果出现错误没有第二次机会，确实使得良好的热量控制系统本身固有的可靠性成为所有应用的前提。”克林说。

密度、电力需求和热能在所有电子系统中不断提高，特别是在过去的二十年间。大量的未来系统也清楚地表明系统设计者所面临的问题。

“在下一个5年间，我想我们会有可用的基本元件，”ATK的先进热量技术公司经理吉姆·温林博士说；这并不是说工程师可以松一口气。“在宇航系统中，采用没有任何机械泵的热管的被动制冷系统已接近我们的极限。”

在新近的宇宙飞船热能控制研讨会，政府机构展示了未来5年的热量处理路线图，但是温林相信这些路线图早已过时。“政府实验室的路线图把单相列为下一代，双相列入再下一代。我认为他们能够直接奔向双相。”

技术跨越

直接走向双相解决方案“是可以在未来宇宙飞行器上实现的，”克林补充道。从标准的单相和双相毛细装置演化到双相泵浦装置将使热量吸收和传递的量达到更高水平，并且受历史性需求增长的推动将会尽快实现。

“在当前的市场中，我们有些具有前沿水平的更高动力的飞船已接近20千瓦。在3到4年将达到40千瓦，所以基于这一点，我们必须要问是否当今的技术，通过热管和分布式飞船处理系统能否满足这些需求，或者说机械泵辅助解决方案是否需要？现在，我们内部的路线图指出这是一条业界的必经之路，”克林说。“从空间应用来说，我也希望看到有些试验技术发展并且在未来3、4年中大量应用。如应用射频辐射传输的电镀三价铬装置和从双相被动冷却发展到双相泵浦装置等，显著提高下一代系统的探测和传输效率。”

在解决许多如电子系统快速和巨烈变化的问题时，5年可以算作一个坎。

“如果你现在发展一种基于新技术的热量处理系统，3、5年内很难实现，到那时你却陷入了落后的循环，”杰尼克说。“所以你不得不计划得远一点，并且要留有足够的余量来适应100%的热负荷。发展趋势是精确冷却，使用围绕任务设计和任务需求的系统，而不仅仅是通用的冷却系统。并且一个冷却系统服务于整个飞船不是所要的答案；你需要多种冷却系统，或许一个主动，两个被动。”

一个系统中，他补充道，3种情况决定冷却需求：

1、何种内部载荷，或许可以通过载具的涂层减少。

2、电子设备如何在系统内安置，系统中必须有足够的热惯量保证临界情况下的运行。甚至即使在最坏情况下，如冷却系统停止工作，也要保证。

3、寄生载荷，机箱之间相互太靠近，有些带有气冷，有些是液冷；并不是机箱本身，而是它放置的位置太接近其它机箱甚至人，人也产生热量。

“我的思路是追求更加简单，温度更低的板卡，所有设备工作在商用的50摄氏度而不是100摄氏度，” 简尼克说。“这儿也许有些大量的节省，不仅是现在，同样你以后升级系统，用仅需少量外部冷却的低温度的商用成品板卡。这确实改变了电子系统的样式。你不需要实际改变军用规范，你只不过是如何改变那些针对板卡级的需求。”

商用成品冷却装置问题

未来解决方案中的商用成品元件，由商用成品技术引发的热量理处方面的障碍，在2009年拉斯维加斯消费电子展上成为热点，AMD公司总裁和首席执行官德克·莫耳的主旨演讲提及了一个警告：他的公司的CPU碰到了因热量引发的时钟速度上限。英特尔之前也承认同样的问题，导致了临时性解决方案--多核心芯片的诞生。但是莫耳强调了这一成就的暂时性。“通过增加核的数量的方式投入越来越多的晶体管来解决性能问题，快速增大了缓冲器尺寸等等导致收益减少，” 他说。

另一种批评增加热量水平的做法，来自于北卡罗来纳州州达拉谟的奈克斯垂姆热量解决方案公司，他们打算从芯片的前端去除热量。

“ 奈克斯垂姆通过介入装置从侧面去掉热量，所以你可以想象有些芯片将低于介入装置，并且介入装置将保持固定的温度，”奈克斯垂姆市场和营销发展部副总裁保罗·马其尔说。“你把另外的芯片，就是产热最少的芯片安装在上面，然后可以用经典的方法，比如风扇和水槽去掉热量。”

解决方法是通过应用具有热活性的铜柱突起与植入的薄膜电热材料，奈克斯垂姆的一项发展是通过电流快速冷却一边，相对于另一边降低温度。马其尔说这种方法对于热量和电力消耗有限制的电子设备是可升级和划算的。比如在一个三维芯片堆中，几个突起放在不同的层，包括一个严格用于冷却的被动层，可以提供主动面、背面和侧面冷却。

“如果你不想通过架子上的其它芯片带走热量，你可以通过下层来带走热量。填充铜的通路是此项任务的主要侯选者，”马其尔针对他所讲的实现在三维芯片构的热量处理底层补充了更加全面的分析。“人们正寻找其它方法用于三维芯片构架的冷却，比如，用液体实现微通道冷却。但是引入机械因素到系统，从本身可靠性上不如电气装置，因为有运动部件。关于三维热量处理，我们需要想点不同的东西。”

整个热量处理场合，应用了多种材料与技术，有些是单点解决方案，其它一些串列应用，包括定制的吸收与发射涂层，热量控制涂料，薄膜电热材料，绝缘与导电涂层，扎带，油漆，相变材料，百叶窗和开关，合成面板，电子管、支架和总成，用先进的被动驱使、内部液体冷却的硅化物基底板替代硬金属散热器，碳纳米管涂层，缓冲环热虹吸，通过钽电容的引线架融合的树脂来传导和消散热量，热塑料合成物，速调管冷却器，喷丸冲击，再生冷却，单基碳材料和金属基板，碳碳、碳陶瓷粘合物和聚合体粘合物。

喷雾冷却

喷雾冷却是液体冷却的一个分支，以前被认为是怪异的，现在渐渐成为主流。

“几年前，所有液体冷却方式都被认为是怪异的，但是绝大多数业界专家都认为这种方式不可阻挡。现在处理过程中有多种应用：传感器，C4系统，电力电子技术，电子战等等。人们开始不仅把液体冷却当作必须，而且当作一种可行而且并不怪异的选择。”

“采取传导方式的液体流动冷却，包含冷却板的液体冷却环路安装在发热点上。喷雾冷却是液体冷却的变种，其它的根本上说还冷却板的传导，我们直接喷射液体到电子设备上，” 巴得雷解释说。“通过浸入冷却，你把腔内注满了液体，使它很重。在我们的腔内，只有7%是冷却液，其余的是蒸汽，所以没有重量的问题。另外一个关键是喷雾充分利用了双相蒸发的效率，许多再生冷却系统是单相的。如果元件变得足够热，再生冷却液便开始沸腾。所以它们没有双相蒸发系统有效率。”

在一个喷雾冷却的系统中，随着元件变热，液滴蒸发也越快，在没有沸腾的情况下变相。“它变化越快，实际上它冷却越好，这就是喷雾冷却的一个美好之处。你所调节液体蒸发的数量取决于元件的功率。举个例子，一个处理器将会比一个低功耗元件蒸发更多的液体。”巴得雷补充到。

“元件不断地喷射，所以我们不必知道是否元件处于一个热工作循环，”巴德雷继续说。“但是我们要测量内部液体周边环境温度来确定是热或者冷；如果很冷，我们将加热液体。在一个高空无人机的应用中，有可能是-60摄氏度。一个关于喷雾冷却的不同之处是我们一般会被要求使用商用级的板卡，它们低于0度不能很好工作，所以我们加热温度到那一点，然后供电到底板。想象它作为一个温度调节系统，象家用的温度调节器，有时用空调，有时用取暖器。”

喷雾冷却一般用于元件级与机箱级，这取决于应用的型号、尺寸和组成。“如果你有一个大的处理器，象带有15个接口卡槽的传感器，我们把它应用于机箱级。但是如果用在电子战方面，一个干扰机带有几个高功率放大器，另外还会有大而重的水槽，我们用一些冷却板取代这些，它们不必非要放在机箱内。所以你要有泵和热交换器。蒸发过程是在一个封闭的冷却板内发生的，也就是说，一个热槽在功率放大器上不碰到任何元件，”巴德雷说。“如果底板上有一些板卡，喷雾冷却将应用于机箱级。”

“第三种方式，有点类似功率放大器的冷却板，应用于地面车辆的C4I系统，它们不是采用19英寸机柜的1个U标准机箱那种植入式VME总线，”巴德雷说。“大多数元件可以耐得住沙漠气温，除了处理器，会过热。在这些案例中，车辆对这些处理器采用空冷。我们安装了一个冷却板用来去除处理器的热量，同时允许其它板卡用空冷，使你避免大而重、高耗能的空调系统，也不用把整个机柜服务器装入一个密封的液体腔中。”

喷雾冷却大量地应用在密封的腔体环境中，但是冷却板这种过去18个月发展起来的方法，在电子战干扰机和C4I地面系统中更为常用。“我们的办法是，围绕军事应用采用商用级硬件，试着改进一种密封的方案而不是考虑对这些电子设备进行加固。”

液体冷却的局限

液体冷却有其局限性。尽管许多系统是密封的而且没有液体接触电子元件，但是万一出现泄漏，这就要求不能损坏元件。

“当你有电气绝缘的液体，它也同时趋于不导热，所以从无毒观点它是最好的，但是从其它方面来说却不是最好的，”巴德雷指出。“总的来说，一种良好绝缘的液体也基本上是一种热不良导体，所以这种好的愿望从未实现。市场明确并高声报怨液体冷却比空冷或者传导冷却贵太多，我们已确立了种途径来降低成本，并且将提出几种解决方案，我们觉得这些对地面车辆是实实在在的收益。”

巴德雷预计液体冷却将在未来几年里经历显著的增长。“从军用电子方面来说，我想我们正摸到冰山的一角。5年内，我预计液体冷却将占10％的市场份额。现在只有小部分军用电子市场需要液体冷却，但是更高功率和密度电子设备的增长速度远高于平均增长速度。所以在军用电子领域对先进冷却的需求增长速度实际上高于整体增长速度。”

对于巴德雷和其他液体冷却推行者，当前问题的关键是：成本、尺寸、减重、维护和服务支持。” 5年之前，这一话题还充满技术风险，即液体冷却是否是一种可靠可行的解决方案。现在没人再继续问这些问题，而是问如何实现你的战场服务和支持，以及在大家追求更小更轻包装时如何降低成本。对于我，这是市场成熟的标志，”巴德雷说。“说到成本、服务和支持力，你听了许多抱怨，液体冷却太复杂。但是现在它再也不古怪和复杂。”

无论热量处理采用何种措施或平台，最终用户在关键一点上是一致的：具备几乎即插即用构架能力。来自俄亥俄州门托市的帕克－汉尼芬透平机燃料系统分部负责先进冷却系统的技术团队领导人理查德霍奇说他相信未来应用中最好的一种解决方案是液体流动通。

“在最初，我看到单相LFT出现，甚至高到1000瓦，然后发展到具有更高模块内温度水平的双相，这些全部取决于电子设备的构架，但是我可以轻松在单个板内实现2000瓦，”霍奇说。

另一种方法涉及到宏薄片结构。“宏薄片制作和设计过程要解决各层的设计。我们可以把每一薄层放入槽中或拓扑中，我们希望利用液体或气隙来绝缘，通过增多数量和路径安排，或者在几层中用来控制液体来获得尽可能好的雾化，”霍奇解释道。

“宏喷雾（一种新奇的帕克－汉尼芬过程）将允许我们在一个狭窄的空间内进行冷却或者提供液体分配和制造高热负荷但仍然保持原有特性的模块。通过这种方法，我们可以制造非常冷的冷板或者向元件直接喷射冲击喷雾，但元件本身相对于其它环境仍然保持干燥。通过利用冲击它也允许我们获得更高的表面散热率，通过双相喷雾，我们可以实现具有非常好特性的表面强化。”

尽管电子设备的年龄可能足够老才会被称作成熟，但是它也在不断发展。“几十年前风扇散热被当作是吓人的新技术；现在我们同样面临着液体的挑战。如果泵停止或发生泄漏会怎样？在每一种情况下，你不得不跨越每种技术固有的障碍，”霍奇说。“但是我们在密度和功率消耗方面的所能达到的最高点还远未可见。实际上，我们有生之年或者我们的下一代和再下一代在我们不得不担心达到最高限度之前已越过这些障碍。”