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隨著集成電路中電子器件集成化程度的提高，電子器件的散熱問(wèn)題成為制約集成電路發(fā)展的關(guān)鍵之一。由于離子風(fēng)的流體性質(zhì)，近年來(lái)發(fā)展出了不少基于離子風(fēng)的器件冷卻方法：一種是將離子風(fēng)激勵(lì)器作為“空氣泵”直接冷卻器件；另外一種則是利用離子風(fēng)產(chǎn)生局部湍流，通過(guò)調(diào)控邊界層流體形態(tài)，強(qiáng)化局部散熱效果。

近年來(lái)，離子風(fēng)直接用于熱源冷卻的研究主要體現(xiàn)在冷卻加熱板、LED以及電子芯片，冷卻效果多以傳熱系數(shù)強(qiáng)化因子（定義為離子風(fēng)下的傳熱系數(shù)與自然傳熱系數(shù)的比值）和最高溫度下降度數(shù)（溫度降）進(jìn)行表征，見(jiàn)表1。此外，也有通過(guò)熱阻來(lái)表征傳熱效果的研究，如Ingyoun Chen等利用離子風(fēng)冷卻LED時(shí)發(fā)現(xiàn)，熱阻值可從80℃/W降低到41℃/W。

表1 幾種典型結(jié)構(gòu)冷卻研究匯總

利用離子風(fēng)產(chǎn)生渦流源，進(jìn)而強(qiáng)化局部冷卻效果的基本原理如圖1所示。當(dāng)通道內(nèi)存在外部氣流時(shí)，給電極施加電壓形成離子風(fēng)，離子風(fēng)的上游與下游會(huì)形成兩個(gè)不同的流動(dòng)區(qū)域。在離子風(fēng)的上游，離子風(fēng)的方向與來(lái)流方向相反，形成渦流區(qū)。外部氣流無(wú)法通過(guò)該區(qū)域，形成邊界層與壁面分離。在離子風(fēng)的下游，離子風(fēng)產(chǎn)生的壁面射流將形成新的邊界層，該邊界層可由所加電壓進(jìn)行調(diào)控。

圖1 離子風(fēng)控制邊界層示意圖

需要指出的是，離子風(fēng)協(xié)同低速來(lái)流時(shí)冷卻效果更好。D. H. Shin等基于線-板電極的研究發(fā)現(xiàn)，在低雷諾數(shù)（100~200）下，離子風(fēng)和來(lái)流協(xié)同作用下的傳熱系數(shù)比僅有來(lái)流時(shí)提高了11%，但在高雷諾數(shù)（2500~3500）下，傳熱系數(shù)反而只有來(lái)流單獨(dú)作用時(shí)的73%。

不同高壓電極形式對(duì)傳熱系數(shù)的影響如圖2所示，張立等研究針電極、針-環(huán)電極、線電極下離子風(fēng)與來(lái)流的協(xié)同冷卻效果時(shí)，發(fā)現(xiàn)針-環(huán)電極的局部換熱能力最強(qiáng)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可達(dá)68W/(m2?℃)，是自然表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的3.5~4.5倍，達(dá)到單獨(dú)使用離子風(fēng)散熱的1.7倍以上，是單獨(dú)使用來(lái)流散熱的2.5倍。

圖2不同高壓電極形式對(duì)傳熱系數(shù)的影響

在溫度控制領(lǐng)域，離子風(fēng)由于功耗低、響應(yīng)快、噪聲小、散熱強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)機(jī)械式風(fēng)扇更有優(yōu)勢(shì)。通過(guò)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，還可有望實(shí)現(xiàn)集成化冷卻。但離子風(fēng)中的帶電粒子帶來(lái)的絕緣問(wèn)題和電磁干擾問(wèn)題會(huì)影響電子設(shè)備的使用，若要在未來(lái)實(shí)現(xiàn)離子風(fēng)冷卻的集成化，還需解決以下兩個(gè)問(wèn)題：

①離子風(fēng)是由于氣體電離出的帶電粒子在電場(chǎng)的加速下產(chǎn)生的，因此離子風(fēng)中會(huì)帶有大量的帶電粒子。當(dāng)使用離子風(fēng)冷卻時(shí)，部分帶電粒子會(huì)沉積在冷卻對(duì)象上，若冷卻對(duì)象為電子設(shè)備，會(huì)破壞設(shè)備的絕緣性能，因此需要消除帶電粒子的影響。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以采取雙極性放電的形式，這種放電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的帶電粒子可以自中和，大大削弱了離子風(fēng)的帶電性。②優(yōu)化電極，進(jìn)一步提高風(fēng)速。雙極性離子風(fēng)發(fā)生器由于帶電粒子的中和，粒子受電場(chǎng)力的時(shí)間短，風(fēng)速較弱。因此，可以在雙極性高壓電極之間加入電介質(zhì)材料，延長(zhǎng)帶電粒子的受力時(shí)間。也可以設(shè)置多級(jí)電極，對(duì)帶電粒子多次加速以提高離子風(fēng)強(qiáng)度。

以上研究成果發(fā)表在2021年第13期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“離子風(fēng)的應(yīng)用研究進(jìn)展”，作者為張明、李丁晨 等。