浅谈电子芯片冷却技术及其应用

冷却新技术的研究工作便显得迫在眉睫。
就开始有相关的报道，该结构的冷却能力大大
目前，电子芯片冷却中应用最广泛的有两 超过常规冷却手段所能达到的水平。微槽道的
类方法，风冷和液冷。风冷即利用风扇产生的循 尺寸可以从数微米到数毫米，制作的材料有硅、
源自文库
环气流对芯片冷却，该方法由于散热冷却效果 铜、铝及其合金等，冷却介质除水外还有液氮、
的风扇所产生的噪音令人难以忍受。随着 CPU 形成很薄的速度和温度边界层，因而是一种可
结束语
核心尺寸的减小及芯片上元件的集成化，芯片 提供很高传热率的有效手段，已被广泛应用于
总而言之，随着芯片发热量的不断增加，传
将变成一个不均匀的热源。这可导致封装界面 各种工业过程中。喷射散热通常使用的是沸点 统的风扇冷却方案已不能满足芯片散热的要
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浅谈电子芯片冷却技术及其应用
刘 宇 高洪岩 （哈尔滨电工仪表研究所，黑龙江 哈尔滨 150000）
摘 要:目前，电子系统朝微型化方向发展的速度越来越快，电子芯片的可靠性主要取决于其内部组件本身及组件问的温度高低，可见电子芯 片冷却技术的重要性。本文主要研究了电子芯片冷却技术及其应用，详细探讨了风扇冷却技术和液体冷却技在电子芯片冷却技术的发展和应用。
的传导系数 R 升到 0．350C／W。以强迫风冷 较低的液体，如：液氮、无腐蚀性的氟利昂制冷 求，取而代之的将是换热效率更高的液冷方案。
系统为主的微处理器
剂等，利用喷射器将液体喷到元器件的表面。 现阶段液冷方案没有得到广泛应用的原因主要
散热技术最多约只能处理 60％微处理器
典型的射流冲击流场分布如图 2 所示， 是冷却液密封的问题，还有其设计通常更为复
的功率也必然要增加，同时产生的废热也就大 的通路。目前在传统加工的凹槽尺寸在毫米级
量增加，这就需要良好的散热，才能保证其正常 尺度，导致散热器件体积大。
的工作；另外一方面，大量的电子及光电子器件
2.2 微槽道冷却
等都需要工作在较低的(低于环境温度)且稳定
在芯片冷却技术中，微槽道结构是一种广
的温度环境才能发挥其正常的功能，电子芯片 泛应用的强化换热结构，在 20 世纪 80 年代初
方法。
Hrycak 又把自由射流区分为两部分：始段区(势 调发展，必须把冷却技术和芯片本身的发展综
2 新型液体冷却技术的应用
流核心区)和基流段区(势流核心区外) 。根据边 合考虑，才能有助于两者的协调发展。
液冷通用的方法是采用泵驱动冷却液(水) 界层理论可知，圆形射流冲击在驻点区的径向
流过芯片背部的通道，水在通道内与芯片进行 流动为加速流动，法向压力梯度很小，故可以忽
图1
差，仅仅适用于集成度和运算速度低的普通芯 乙醇、硅油、氟利昂等液体。
片散热。而液冷是由于液体因单位热容相对气
在电子芯片微型化和集成化的发展趋势
体大，因而作为循环工作的冷却方式能达到比 下。宏观尺度上的槽道冷却已无法满足要求。液
风冷更高的冷却效果。随着芯片功耗的增加，液 冷研究的第二阶段为芯片上通道微型化。在相
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冷技术引起越来越多研究人员的重视，液冷方 同面积的芯片上，通道尺寸越小，通道的数量越
案的市场占有率正处于上升趋势，因此液体冷 多，所有通道的总面积越大，与液体单位时间内
却是目前比较理想且可行的芯片散热方式。 热量交换越多。利用纵横垂直两个方向硅芯片
1 传统风扇冷却技术的应用
作异向性蚀刻加工，加工出微米级尺度的通道。
热交换，带走芯片上的热量。含有热量的水通过 略。边界层流动的稳定性受到径向压力梯度的
散热器把热量散失到外界环境中。液冷研究的 影响，平行于壁面方向的顺压梯度使边界层保
发展经历三个阶段，包括槽道冷却、微槽道冷 持层流状态，不易过渡到湍流流动。由于喷射的
却、液体喷射冷却等。
速度很快，当液体直接喷射散热时，液体接触电
件的冷却效果非常的理想，一般情况下可以把
图。芯片通过热环氧树脂和换热器连接在一起，
近年来，液体喷射冷却技术得到了广泛的 其表面的温度冷却到所要求的温度，而且冷却
CPU 风扇被用来向换热器传送受迫空气。在主 关注，而且逐渐用到电子元器件的散热方面。喷 的速度非常快，可以满足电子元器件持续增加
频 2GHz 的奔腾Ⅳ处理器上，转速 4000r／min 射冲击冷却的特点是流体法向冲击传热表面， 的发热功率对散热的要求。
风扇加热沉是目前芯片冷却使用得最普 产生出高深宽比的微小通道，以及极为紧密的
遍的形式。风扇散热器的结构简单，使用方便， 通道排列，来达到提高传热面积密度的要求。由
因而受到了广大用户的青睐。然而，随着电子元 于硅具有极佳的热传导系数，再加上单晶硅对
器件发热功率的迅速增长，风扇散热器也随之 一般流体，甚至是具有腐蚀性的流体，都有良好
关 键 词 :电子芯片;冷却技术;风扇冷却;液体冷却
电子技术的发展使电路及其芯片散热问
2.1 槽道冷却
题显得格外突出，这个问题包括两个方面：其一
液冷研究的第一阶段是用传统的制造工艺
是电子器件和芯片的散热(高于环境温度)，因为 和材料制造，利用导热率优良的铜或铝为基底，
随着电子器件和芯片性能的提高，其本身消耗 利用电火花数控机床加工出凹槽，形成冷却水
进行了改进，常规的方法是提高风扇的转速和 的抗腐蚀特性，非常适合作为热交换器的材料，
增大翅片的尺寸。但是这两种方法都不能无限 当微小流道蚀刻完成后，再利用扩散接合技术
地增加风扇散热器的散热能力，风冷技术已不 将多片硅质流道成交互式堆栈接合。泵驱动冷
图2
能满足芯片日益增长的散热要求。
却液流过芯片背部的微通道，水在微通道内与 子元器件，在元器件表面形成一层很薄的速度
例如传统的计算机芯片冷却技术是由换 芯片进行热交换，带走芯片上的热量，含有热量 和温度边界层，随着液膜的流动将热量带走，或
热器及风扇组成的强迫风冷系统。如图 1 所示， 的水通过冷却器把热量散失到外界环境中。 制冷液体遇热蒸发从而带走热量，对电子元器
是一固定了换热器及风扇的奔腾 4 处理器示意
2.3 液体喷射冷却
所产生的废热，当前的 130W 的散热功率达到 Martin 综 合 了 Schrader、Glaser 等 人 的 研 究 成 杂，需要采用泵、阀等流控元件的寿命不长可靠
了风冷散热的极限。尽管如此，传统的冷却技术 果，把射流法向冲击平板的流场划分为三个特 性受到一定限制，这也是芯片液冷今后需要研
仍然是目前普通计算机芯片冷却所采用的主要 性区域：自由射流区、驻点区和壁面射流区。 究解决的问题，同时要实现芯片冷却技术的协