PCB 是電子設備的核心，包括電阻、芯片、三極管等，其中芯片發熱功率最高，常見 CPU 為70～300 W，是主要發熱源。因 PCB 高集成化，其發熱功率不斷提升。過高溫度對電子設備性能、可靠性、壽命等嚴重不利。

元器件溫度相關失效包括機械失效與電氣失效。機械失效是溫度變化時，結合的各種材料熱脹冷縮程度不同，造成材料變形、屈服、斷裂等。電氣失效是溫度變化導致元器件性能改變，如晶體管、芯片電阻等，進而造成熱逸潰、電過載;同時溫度過高導致電子大量遷移和原子振動加速，造成離子遷移不受控和電子轟擊原子現象，引發離子污染和電遷移。這將嚴重影響元器件的安全、穩定、壽命等。

元器件散熱分為芯片級、封裝級、系統級，芯片級和封裝級散熱從優化材料和制造工藝入手，降低熱阻，而系統級散熱是使用合適的散熱結構和冷卻技術設計符合需求的散熱系統，保證元器件能安全長效工作。國際半導體技術發展組織提出，系統級冷卻是限制芯片能量損失增長的主要原因 。這表明高性能系統級散熱技術的重要性。

根據是否依靠工質相變分為單相散熱和多相散熱。單相散熱包括風冷、液冷、射流、熱電制冷。其中風冷和液冷較為成熟，應用廣泛，但散熱效果一般。多相散熱包括:PCM、熱管、電潤濕、噴霧。總的來說多相散熱由于工質相變吸收大量潛熱，散熱效果更好，是重點發展方向。

元器件傳熱方式可總結為從芯片導熱至封裝外殼，外殼底部通過引線、焊球等連接 PCB 銅箔，銅箔則在 PCB 平面和厚度方向傳熱。平面方向傳熱通過導熱和對流，而厚度方向導熱則要穿過基板樹脂材料，其熱導率很低，因此常設置鍍銅過孔，將 PCB 不同層銅箔連接從而提高其厚度方向的導熱性。

以圖1為例，芯片上表面連接散熱器，向下通過焊球 － 基底 － 焊球導熱至 PCB 上表面銅箔，通過對流和平面方向導熱散出部分熱量，剩余熱量通過熱過孔到達 PCB 下表面，通過散熱器散熱。

3.1 風冷

風冷分為自然對流和強制風冷，熱流密度極限約5W/cm²。自然對流散熱差但成本低，廣泛用于低熱流密度設備如電視等。強制風冷散熱強、結構簡單、可靠性強，廣泛用于 CPU、數據中心等。

研究集中于散熱翅片優化，如 Ahmad 介紹的新型多層散熱片，多層翅片結構使邊界層突變從而強化散熱，組件平均溫度降低 6.13%。此外還有流動控制優化，Wang提出的往復系統，能根據模塊溫度調節流道兩端風扇的啟停和轉速使空氣往復流動，降低了 15%的最高溫度和50%的溫差。

3.2 液冷

液冷性能好于風冷，因為液體比熱容遠大于空氣。常規液冷熱流密度達 24 W/cm²，微通道液冷熱流密度可超過 790 W/cm²。液冷包括浸沒冷卻和液冷板。

浸沒冷卻是將設備浸入導熱性強、導電性弱的冷卻劑中，已用于數據中心、基站冷卻。浸沒冷卻運行參數對冷卻效果影響很大，系統循環速度更快、供液溫度更低都有利于冷卻。

液冷板對封裝要求更低，可直接接觸元器件，應用場景更多。優化通道結構能強化換熱。Jiang 發現 V 型肋通道傳熱性能是光滑通道的 2.1倍，因為側壁邊界層被破壞形成二次流，使主流直接與壁面換熱。肋片雖能優化傳熱，但帶來更大的流動阻力，為此 Chen采用拓撲對矩形通道冷板(RCP)和蛇形通道冷板(SCP)優化得到TCP-RCP 和 TCP-SCP，如圖 2 所示，優化模型減小流動阻力同時強化散熱，TCP 最高溫度分別降低 0.27%和 1.08%，溫差分別降低 19.50% 和 41.88%。

zT體現材料熱電性能，一般需提高 zT，如增大電導率或減小熱導率 。將不同材料摻雜能提高熱電材料性能，如將合金摻入硅晶體形成共晶材料。控制微觀結構如晶粒尺寸和二次相也可改善合金的熱電性能。選擇合適物性配置也很重要，單純提高 α 或降低 κ 雖能提高 zT，但未必得到更好的冷卻效果。

4.1 熱管

熱管是一種傳熱能力很強的元件，熱流密度超 200 W/cm² ，其結構緊湊、可靠性高，廣泛用于終端電子設備。熱管利用工質在真空管吸熱端蒸發與放熱端液化傳熱，管芯多孔材料產生毛細力維持工質循環。

電子設備一般使用超薄熱管，可緊密貼合元器件表面，包括平板熱管(UFHP) 和環形熱管(ULHP)，它們的工作原理與傳統熱管一樣，只是形狀和結構略有變化。UFHP 是將傳統圓柱形熱管沖壓成超薄平板。而 ULHP 如圖 4 所示，將液體與氣體分開在各自通道，使循環更暢通，有長距離、反重力等優點。

平板脈動熱管(FPPHP)是一種特殊 ULHP，無需管芯，有結構簡單、微型化的特點。FPPHP在冷、熱源間形成蛇形環路，由于熱源作用，蒸發端與冷凝端壓力不穩定引發復雜的兩相流，工質在通道內自發振蕩實現傳熱。

均熱板是一種特殊的 UFHP，相比一維傳熱的熱管，均熱板在二維面上傳熱，效率更高，均溫性更好，比傳統 UFHP 更有優勢如圖5所示。

管芯是維持工質循環的核心，也為液 － 汽相變提供接口，因此，熱管的啟動和性能主要取決于芯結構，分為:微槽芯、燒結芯和復合芯結構。對芯的優化主要是提高毛細力、滲透率，減輕重量以提高液體輸送效率。Zhou 開發的新型雙孔螺旋網芯，節約 22%銅線并結合了大孔滲透率高和小孔毛細力大的優點。

熱管另一關鍵是工質，UFHP 工質僅填充芯體時熱阻最小，液體過多阻礙蒸汽流動。納米流體工質有更強的相變能力、流動速度、流動驅動力。

熱管作為靈活部件，常與其他散熱技術耦合得到更好效果。熱管 － PCM 最常見，此外還有均熱板 － 噴霧、熱管 － 熱電制冷等。

4.2 PCM

PCM有成本低、重量輕、散熱強等優點，利用相變潛熱穩定元器件溫度，如PCM在功率高峰期熔化吸熱，在功率低谷期凝固放熱。PCM需提高導熱性，如微膠囊PCM，就是提高 PCM 比表面積進而增強導熱，加入納米材料、泡沫金屬或膨脹石墨能進一步改善。Baruah 在PCM膠囊中加入泡沫金屬，發現泡沫金屬的巨大內表面積能提高PCM導熱。同時PCM常被用于填充散熱器，因為肋片能幫PCM導熱，PCM也能幫肋片散熱。

PCM 也常與其他散熱方法耦合。如熱管 －PCM，如圖 6 所示，熱管可提高 PCM 導熱，而 PCM作為二次冷凝器吸收熱管的部分散熱  。Mura-li  提出在 PCM 與風冷、液冷、熱管的耦合中，PCM － 熱管性能最好。

4.3 電潤濕

電濕潤能耗低、響應快，適用各類芯片。通過電極控制介電液滴移動和變形，在熱點處相變吸熱以消除局部熱點，如圖 7 所示。其散熱可達微通道水平。液滴形狀與相變情況主要影響換熱，與電場強度、頻率和溫度有關。提高電場強度和表面溫度均能促進蒸發。Enakshi提出交流電場強度越高、頻率越大，則液滴生長越快。