芯片冷卻中的典型技術分析

以下著重討論一些典型的芯片冷卻技術。
3．1 液冷方式
這里討論的均為被動冷卻方式，若增設制冷機構，可使液體溫度低于室溫，從而液冷冷卻性能可進一步提高。此類方法中，影響散熱的關鍵因素是液體與發熱件的作用方式、液體循環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、強迫對流沸騰冷卻、微槽道冷卻、降膜冷卻、射流冷卻、噴霧冷卻等。從液體的循環方式上看，則有虹吸式冷卻、毛細管循環冷卻(CPL)、柱塞脈動冷卻、主動泵循環冷卻等。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)主頁上展示了許多液冷(單相和二相流)示例 ]。實際上就計算機CPU散熱問題而言，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公司的計算機CPU虹吸式液冷裝置j。

圖6 HP V／8000型虹吸冷卻系統
典型的液冷方案可通過以下幾種途徑實現。
(a)微槽道冷卻
八十年代，美國學者Tuckerman和Pease曾報道過一種微槽道冷卻結構 ]，它由具有高導熱系數的材料(例如硅)構成，其槽寬和壁厚均為50微米，通道的高寬比約為10。他們的實驗表明，當水的流量為10cn13，s，水的溫升為71℃ 時，冷卻熱流可高達790W／cm 。這一冷卻能力大大超過了目前已知的常規冷卻手段所能達到的水平，因而在芯片冷卻應用上，作為高效緊湊型換熱器或冷卻裝置極具優勢，特別是，集成化的散熱器件通過微加工技術易于實現。斯坦福大學的Goodson等獲得風險投資創辦了Cooligy公司，其芯片冷卻技術路線實際上就是針對現有液冷方案加以微型化和集成化，利用微槽道實現液體對芯片的冷卻和液體向環境的散熱。盡管應用微槽道實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等人同時實現了液體電滲驅動循環(圖7)，電滲泵無運動部件，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。現今已實現的器件在200W散熱量下可使溫升降低20K，而泵的功耗則不到1W，因而超過了一般熱管的冷卻能力。由于全系統可以很好的與現有芯片集成，批量生產后可將成本控制得較低，因此一旦制作技術成熟后，這種芯片冷卻的解決方案會是一類很有競爭力的產品。圖8給出了各種泵的技術指標的相互對比情況籃馴。

圖8 各種微泵的性能比較
(紅色：非機械泵。綠色：機械泵) (b)熱管冷卻
熱管是利用相變來強化換熱的傳統技術，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，將管內抽至負壓后充以適量的工作液體，再使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后，加以密封制成。管的一端為蒸發段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據需要可在二者間布置絕熱段。當熱管的一端受熱時，毛細芯中的液體蒸發汽化，蒸汽在微小壓差作用下流向另一端，釋放熱量并凝結成為液體，此后，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用返回蒸發段。如此循環不已，即將熱量由熱管的一端輸運至另一端。

熱管技術在航空航天及核工業中的許多場合有重要應用。傳統熱管由于蒸汽和液體處于同一空間，會產生挾帶現象，從而導致冷卻失效，因此改進的設計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結構示意圖。由于其導熱性能高(超過銅100倍以上)，并能遠距離傳遞熱量，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用。發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點，在小空間下的強化換熱中很有前景。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200W／cm2_3 。與熱管原理類似的結構，還有采用燈芯類材料的自調節性熱管_32j，多孔硅熱管 J等。

芯片冷卻技術的最新研究進展及其評價