芯片冷却中的典型技术分析

芯片冷却中的典型技术分析

以下着重讨论一些典型的芯片冷却技术。
3．1 液冷方式
这里讨论的均为被动冷却方式，若增设制冷机构，可使液体温度低于室温，从而液冷冷却性能可进一步提高。此类方法中，影响散热的关键因素是液体与发热件的作用方式、液体循环方式以及液体热物性。从作用方式上看，液冷大致包括：自然沸腾冷却、强迫对流沸腾冷却、微槽道冷却、降膜冷却、射流冷却、喷雾冷却等。从液体的循环方式上看，则有虹吸式冷却、毛细管循环冷却(CPL)、柱塞脉动冷却、主动泵循环冷却等。Mudawar全面综述了采用液冷方案中的各种因素，讨论了冷却液种类、液冷方式、强化换热等诸多因素的影响情况 ]，并在其供职的PUIECA(Pudue University International Electronic cool·ing Alliance)主页上展示了许多液冷(单相和二相流)示例 ]。实际上就计算机CPU散热问题而言，Intel、NEC、松下、日立等公司新近都推出了基于液冷的散热方案，图6给出的是HP公司的计算机CPU虹吸式液冷装置j。

图6 HP V／8000型虹吸冷却系统
典型的液冷方案可通过以下几种途径实现。
(a)微槽道冷却
八十年代，美国学者Tuckerman和Pease曾报道过一种微槽道冷却结构 ]，它由具有高导热系数的材料(例如硅)构成，其槽宽和壁厚均为50微米，通道的高宽比约为10。他们的实验表明，当水的流量为10cn13，s，水的温升为71℃ 时，冷却热流可高达790W／cm 。这一冷却能力大大超过了目前已知的常规冷却手段所能达到的水平，因而在芯片冷却应用上，作为高效紧凑型换热器或冷却装置极具优势，特别是，集成化的散热器件通过微加工技术易于实现。斯坦福大学的Goodson等获得风险投资创办了Cooligy公司，其芯片冷却技术路线实际上就是针对现有液冷方案加以微型化和集成化，利用微槽道实现液体对芯片的冷却和液体向环境的散热。尽管应用微槽道实施冷却早已被所提出，但由于一直缺乏合适的泵与冷却器件相匹配。Goodson等人同时实现了液体电渗驱动循环(图7)，电渗泵无运动部件，提供的压差大，可以使用低浓度水溶液作冷却液，且耗能小，因而比较适合用于芯片的冷却。现今已实现的器件在200W散热量下可使温升降低20K，而泵的功耗则不到1W，因而超过了一般热管的冷却能力。由于全系统可以很好的与现有芯片集成，批量生产后可将成本控制得较低，因此一旦制作技术成熟后，这种芯片冷却的解决方案会是一类很有竞争力的产品。图8给出了各种泵的技术指标的相互对比情况篮驯。

图8 各种微泵的性能比较
(红色：非机械泵。绿色：机械泵) (b)热管冷却
热管是利用相变来强化换热的传统技术，其概念最早由Cotter 提出。典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，其制作方式是，将管内抽至负压后充以适量的工作液体，再使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后，加以密封制成。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据需要可在二者间布置绝热段。当热管的一端受热时，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小压差作用下流向另一端，释放热量并凝结成为液体，此后，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用返回蒸发段。如此循环不已，即将热量由热管的一端输运至另一端。

热管技术在航空航天及核工业中的许多场合有重要应用。传统热管由于蒸汽和液体处于同一空间，会产生挟带现象，从而导致冷却失效，因此改进的设计方案是选择气液分开，形成多通路，图9给出了几根热管的毛细结构示意图。由于其导热性能高(超过铜100倍以上)，并能远距离传递热量，适合于狭小空间中高热量的排放，在笔记本电脑CPU的散热方面已得到应用。发展中的一种新型热管是微型相变热管，由于它还兼具微槽道冷却的优点，在小空间下的强化换热中很有前景。如图10所示为一种微型热管的工作示意图，左边是单根热管，右边是采用Ic工艺制成的热管平面阵列。其冷却功率可达200W／cm2_3 。与热管原理类似的结构，还有采用灯芯类材料的自调节性热管_32j，多孔硅热管 J等。

芯片冷却技术的最新研究进展及其评价