芯片冷卻中的典型技術(shù)分析

以下著重討論一些典型的芯片冷卻技術(shù)。
3．1 液冷方式
這里討論的均為被動(dòng)冷卻方式，若增設(shè)制冷機(jī)構(gòu)，可使液體溫度低于室溫，從而液冷冷卻性能可進(jìn)一步提高。此類方法中，影響散熱的關(guān)鍵因素是液體與發(fā)熱件的作用方式、液體循環(huán)方式以及液體熱物性。從作用方式上看，液冷大致包括：自然沸騰冷卻、強(qiáng)迫對(duì)流沸騰冷卻、微槽道冷卻、降膜冷卻、射流冷卻、噴霧冷卻等。從液體的循環(huán)方式上看，則有虹吸式冷卻、毛細(xì)管循環(huán)冷卻(CPL)、柱塞脈動(dòng)冷卻、主動(dòng)泵循環(huán)冷卻等。Mudawar全面綜述了采用液冷方案中的各種因素，討論了冷卻液種類、液冷方式、強(qiáng)化換熱等諸多因素的影響情況 ]，并在其供職的PUIECA(Pudue University International Electronic cool·ing Alliance)主頁(yè)上展示了許多液冷(單相和二相流)示例 ]。實(shí)際上就計(jì)算機(jī)CPU散熱問(wèn)題而言，Intel、NEC、松下、日立等公司新近都推出了基于液冷的散熱方案，圖6給出的是HP公司的計(jì)算機(jī)CPU虹吸式液冷裝置j。

圖6 HP V／8000型虹吸冷卻系統(tǒng)
典型的液冷方案可通過(guò)以下幾種途徑實(shí)現(xiàn)。
(a)微槽道冷卻
八十年代，美國(guó)學(xué)者Tuckerman和Pease曾報(bào)道過(guò)一種微槽道冷卻結(jié)構(gòu) ]，它由具有高導(dǎo)熱系數(shù)的材料(例如硅)構(gòu)成，其槽寬和壁厚均為50微米，通道的高寬比約為10。他們的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)水的流量為10cn13，s，水的溫升為71℃ 時(shí)，冷卻熱流可高達(dá)790W／cm 。這一冷卻能力大大超過(guò)了目前已知的常規(guī)冷卻手段所能達(dá)到的水平，因而在芯片冷卻應(yīng)用上，作為高效緊湊型換熱器或冷卻裝置極具優(yōu)勢(shì)，特別是，集成化的散熱器件通過(guò)微加工技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)。斯坦福大學(xué)的Goodson等獲得風(fēng)險(xiǎn)投資創(chuàng)辦了Cooligy公司，其芯片冷卻技術(shù)路線實(shí)際上就是針對(duì)現(xiàn)有液冷方案加以微型化和集成化，利用微槽道實(shí)現(xiàn)液體對(duì)芯片的冷卻和液體向環(huán)境的散熱。盡管應(yīng)用微槽道實(shí)施冷卻早已被所提出，但由于一直缺乏合適的泵與冷卻器件相匹配。Goodson等人同時(shí)實(shí)現(xiàn)了液體電滲驅(qū)動(dòng)循環(huán)(圖7)，電滲泵無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，提供的壓差大，可以使用低濃度水溶液作冷卻液，且耗能小，因而比較適合用于芯片的冷卻?，F(xiàn)今已實(shí)現(xiàn)的器件在200W散熱量下可使溫升降低20K，而泵的功耗則不到1W，因而超過(guò)了一般熱管的冷卻能力。由于全系統(tǒng)可以很好的與現(xiàn)有芯片集成，批量生產(chǎn)后可將成本控制得較低，因此一旦制作技術(shù)成熟后，這種芯片冷卻的解決方案會(huì)是一類很有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。圖8給出了各種泵的技術(shù)指標(biāo)的相互對(duì)比情況籃馴。

圖8 各種微泵的性能比較
(紅色：非機(jī)械泵。綠色：機(jī)械泵) (b)熱管冷卻
熱管是利用相變來(lái)強(qiáng)化換熱的傳統(tǒng)技術(shù)，其概念最早由Cotter 提出。典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，其制作方式是，將管內(nèi)抽至負(fù)壓后充以適量的工作液體，再使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后，加以密封制成。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據(jù)需要可在二者間布置絕熱段。當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)，毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小壓差作用下流向另一端，釋放熱量并凝結(jié)成為液體，此后，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用返回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，即將熱量由熱管的一端輸運(yùn)至另一端。

熱管技術(shù)在航空航天及核工業(yè)中的許多場(chǎng)合有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)熱管由于蒸汽和液體處于同一空間，會(huì)產(chǎn)生挾帶現(xiàn)象，從而導(dǎo)致冷卻失效，因此改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案是選擇氣液分開，形成多通路，圖9給出了幾根熱管的毛細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖。由于其導(dǎo)熱性能高(超過(guò)銅100倍以上)，并能遠(yuǎn)距離傳遞熱量，適合于狹小空間中高熱量的排放，在筆記本電腦CPU的散熱方面已得到應(yīng)用。發(fā)展中的一種新型熱管是微型相變熱管，由于它還兼具微槽道冷卻的優(yōu)點(diǎn)，在小空間下的強(qiáng)化換熱中很有前景。如圖10所示為一種微型熱管的工作示意圖，左邊是單根熱管，右邊是采用Ic工藝制成的熱管平面陣列。其冷卻功率可達(dá)200W／cm2_3 。與熱管原理類似的結(jié)構(gòu)，還有采用燈芯類材料的自調(diào)節(jié)性熱管_32j，多孔硅熱管 J等。

芯片冷卻技術(shù)的最新研究進(jìn)展及其評(píng)價(jià)