PCB 是电子设备的核心，包括电阻、芯片、三极管等，其中芯片发热功率最高，常见 CPU 为70～300 W，是主要发热源。因 PCB 高集成化，其发热功率不断提升。过高温度对电子设备性能、可靠性、寿命等严重不利。

元器件温度相关失效包括机械失效与电气失效。机械失效是温度变化时，结合的各种材料热胀冷缩程度不同，造成材料变形、屈服、断裂等。电气失效是温度变化导致元器件性能改变，如晶体管、芯片电阻等，进而造成热逸溃、电过载;同时温度过高导致电子大量迁移和原子振动加速，造成离子迁移不受控和电子轰击原子现象，引发离子污染和电迁移。这将严重影响元器件的安全、稳定、寿命等。

元器件散热分为芯片级、封装级、系统级，芯片级和封装级散热从优化材料和制造工艺入手，降低热阻，而系统级散热是使用合适的散热结构和冷却技术设计符合需求的散热系统，保证元器件能安全长效工作。国际半导体技术发展组织提出，系统级冷却是限制芯片能量损失增长的主要原因 。这表明高性能系统级散热技术的重要性。

根据是否依靠工质相变分为单相散热和多相散热。单相散热包括风冷、液冷、射流、热电制冷。其中风冷和液冷较为成熟，应用广泛，但散热效果一般。多相散热包括:PCM、热管、电润湿、喷雾。总的来说多相散热由于工质相变吸收大量潜热，散热效果更好，是重点发展方向。

元器件传热方式可总结为从芯片导热至封装外壳，外壳底部通过引线、焊球等连接 PCB 铜箔，铜箔则在 PCB 平面和厚度方向传热。平面方向传热通过导热和对流，而厚度方向导热则要穿过基板树脂材料，其热导率很低，因此常设置镀铜过孔，将 PCB 不同层铜箔连接从而提高其厚度方向的导热性。

以图1为例，芯片上表面连接散热器，向下通过焊球 － 基底 － 焊球导热至 PCB 上表面铜箔，通过对流和平面方向导热散出部分热量，剩余热量通过热过孔到达 PCB 下表面，通过散热器散热。

3.1 风冷

风冷分为自然对流和强制风冷，热流密度极限约5W/cm²。自然对流散热差但成本低，广泛用于低热流密度设备如电视等。强制风冷散热强、结构简单、可靠性强，广泛用于 CPU、数据中心等。

研究集中于散热翅片优化，如 Ahmad 介绍的新型多层散热片，多层翅片结构使边界层突变从而强化散热，组件平均温度降低 6.13%。此外还有流动控制优化，Wang提出的往复系统，能根据模块温度调节流道两端风扇的启停和转速使空气往复流动，降低了 15%的最高温度和50%的温差。

3.2 液冷

液冷性能好于风冷，因为液体比热容远大于空气。常规液冷热流密度达 24 W/cm²，微通道液冷热流密度可超过 790 W/cm²。液冷包括浸没冷却和液冷板。

浸没冷却是将设备浸入导热性强、导电性弱的冷却剂中，已用于数据中心、基站冷却。浸没冷却运行参数对冷却效果影响很大，系统循环速度更快、供液温度更低都有利于冷却。

液冷板对封装要求更低，可直接接触元器件，应用场景更多。优化通道结构能强化换热。Jiang 发现 V 型肋通道传热性能是光滑通道的 2.1倍，因为侧壁边界层被破坏形成二次流，使主流直接与壁面换热。肋片虽能优化传热，但带来更大的流动阻力，为此 Chen采用拓扑对矩形通道冷板(RCP)和蛇形通道冷板(SCP)优化得到TCP-RCP 和 TCP-SCP，如图 2 所示，优化模型减小流动阻力同时强化散热，TCP 最高温度分别降低 0.27%和 1.08%，温差分别降低 19.50% 和 41.88%。

zT体现材料热电性能，一般需提高 zT，如增大电导率或减小热导率 。将不同材料掺杂能提高热电材料性能，如将合金掺入硅晶体形成共晶材料。控制微观结构如晶粒尺寸和二次相也可改善合金的热电性能。选择合适物性配置也很重要，单纯提高 α 或降低 κ 虽能提高 zT，但未必得到更好的冷却效果。

4.1 热管

热管是一种传热能力很强的元件，热流密度超 200 W/cm² ，其结构紧凑、可靠性高，广泛用于终端电子设备。热管利用工质在真空管吸热端蒸发与放热端液化传热，管芯多孔材料产生毛细力维持工质循环。

电子设备一般使用超薄热管，可紧密贴合元器件表面，包括平板热管(UFHP) 和环形热管(ULHP)，它们的工作原理与传统热管一样，只是形状和结构略有变化。UFHP 是将传统圆柱形热管冲压成超薄平板。而 ULHP 如图 4 所示，将液体与气体分开在各自通道，使循环更畅通，有长距离、反重力等优点。

平板脉动热管(FPPHP)是一种特殊 ULHP，无需管芯，有结构简单、微型化的特点。FPPHP在冷、热源间形成蛇形环路，由于热源作用，蒸发端与冷凝端压力不稳定引发复杂的两相流，工质在通道内自发振荡实现传热。

均热板是一种特殊的 UFHP，相比一维传热的热管，均热板在二维面上传热，效率更高，均温性更好，比传统 UFHP 更有优势如图5所示。

管芯是维持工质循环的核心，也为液 － 汽相变提供接口，因此，热管的启动和性能主要取决于芯结构，分为:微槽芯、烧结芯和复合芯结构。对芯的优化主要是提高毛细力、渗透率，减轻重量以提高液体输送效率。Zhou 开发的新型双孔螺旋网芯，节约 22%铜线并结合了大孔渗透率高和小孔毛细力大的优点。

热管另一关键是工质，UFHP 工质仅填充芯体时热阻最小，液体过多阻碍蒸汽流动。纳米流体工质有更强的相变能力、流动速度、流动驱动力。

热管作为灵活部件，常与其他散热技术耦合得到更好效果。热管 － PCM 最常见，此外还有均热板 － 喷雾、热管 － 热电制冷等。

4.2 PCM

PCM有成本低、重量轻、散热强等优点，利用相变潜热稳定元器件温度，如PCM在功率高峰期熔化吸热，在功率低谷期凝固放热。PCM需提高导热性，如微胶囊PCM，就是提高 PCM 比表面积进而增强导热，加入纳米材料、泡沫金属或膨胀石墨能进一步改善。Baruah 在PCM胶囊中加入泡沫金属，发现泡沫金属的巨大内表面积能提高PCM导热。同时PCM常被用于填充散热器，因为肋片能帮PCM导热，PCM也能帮肋片散热。

PCM 也常与其他散热方法耦合。如热管 －PCM，如图 6 所示，热管可提高 PCM 导热，而 PCM作为二次冷凝器吸收热管的部分散热  。Mura-li  提出在 PCM 与风冷、液冷、热管的耦合中，PCM － 热管性能最好。

4.3 电润湿

电湿润能耗低、响应快，适用各类芯片。通过电极控制介电液滴移动和变形，在热点处相变吸热以消除局部热点，如图 7 所示。其散热可达微通道水平。液滴形状与相变情况主要影响换热，与电场强度、频率和温度有关。提高电场强度和表面温度均能促进蒸发。Enakshi提出交流电场强度越高、频率越大，则液滴生长越快。