电子冷却技术调研

电子冷却技术的最新研究进展

近年来, 随着电子技术的迅猛发展，电子元件向微型化、集成化、高性能趋势发展。与此同时，芯片集成度和封装密度的提高、性能的增强,最终导致单位体积上功耗急剧增加。而大部分功耗则转换为热能,导致芯片温度的快速升高,这降低了芯片运行的可靠性、缩短了其使用寿命。就CPU而言，热量在芯片处的累积将严重影响其稳定性和使用寿命。有研究表明，单个电子元件的工作温度如果升高10℃，其可靠性则会减少50%，而CPU失效问题的55％都是由于过热引起的[1]。研究表明,芯片表面温度维持在50～100 ℃,能有效避免物理损伤、计算速度的下降和逻辑错误[2]。因此,在极其有限的空间内进行有效及时的散热和维持芯片温度的稳定已经成为电子元件设计的问题。本文将着重介绍电子冷却技术的最新研究进展。

一、电子冷却的原理及分类

电子器件冷却的目的是保证其工作的稳定性和可靠性，常用的方法主要有：自然散热或冷却、强制散热或冷却、液体冷却、制冷方式、能量疏导方式、热隔离方式和PCM(相交材料)温度控制方法等等。而根据冷源温度与环境温度的关系，可将各种冷却方法分为两大类即被动式制冷和主动式制冷。

1.1被动式冷却

被动式散热是指冷源温度高于环境温度的电子元件散热方式。按照冷却介质的不同又可分为空气冷却和液体冷却。

（1）空气冷却

空冷是指通过空气的流动将电子元件产生豹热量带走的一种散热方式。它又可分为自然

之对流和强迫对流。自然对流冷却散热能力非常有限的，通常其对流换热系数在0～202/()

W m K⋅间。这只能满足发热量较小的电子元件。强迫对流冷却是指介质在外力作用下的流动，主要借助于风扇等强迫器件周边空气流动，将热量带走。这种散热方式具有比自然对流强得多的散热能力，通过与热沉组合可使其对流换热系数达10～1002

W m K⋅。目前这种散热方式

/()

已得到广泛应用。

（2）液体冷却

液体制冷是通过液体的流动带走电子元件产生热量的一种散热方式，主要是针对芯片或芯片组件提出的概念。液体冷却与空气冷却相比有很多优势，最突出的是液体具有比气体大得多的比热容，因此其热负载能力很大。另外，它还其有噪声小、温度平稳等特点，但是它也存在系统复杂、成本高和可靠性较低等缺点。

1.2主动式冷却

主动式冷却是冷源温度低于环境温度的一种散热方式。这种散热方式可以获得较低的芯片温度，有利于芯片性能的提高；但是它需要消耗更多的能量，可靠性也较低。它可以分为制冷与低温冷却技术、热电冷却技术（TEC）、MEMS冷却技术（微通道、微型泵、微热管）等。

在电子冷却技术中应该考虑的各种因素有：热阻、尺寸、重量、维护要求、可靠性、成本、热效能、耐环境度(冲击、振动及腐蚀等)、安全性、复杂性、功耗及对设备电性能的影响。需要指出的是：一个冷却方案不限于一种冷却方式，大多数方案都是根据具体情况，包含几种冷却方式，相互配合使用。

二、微通道冷却技术

2.1微通道冷却技术简介

通常将水力学直径在1～1 000μm之间的通道或管道定义为微通道[5]。研究表明，由于微通道尺寸微小，极大地增大了流体与散热器的接触面积，液体在微通道内被加热会迅速发展为核态沸腾，此时液体处于一种层状结构，其换热能力和通道直径成反比，但带来明显的压降[4]。由于该技术的容积效率达20 W/℃/cc，在许多场合甚至完全可以替代常规制冷系统。

图2-1微通道模型

微通道热沉(Microchannel Heat sink ,MCHS)概念最早由Tuckerman和Pease于1981年提出 ,并从理论上证明了水冷却微通道的散热能力可达1 000 2

W cm。和常规管道内比较

/

后发现微尺度管道内传热系数比常规管道内传热系数高出30%～200%,微尺度管道内流动沸腾换热是一个很好的强化换热方法。

2.2常规微通道中液体流动

根据Chien-Hsin Chen[8]的研究，影响微通道中强制对流流体散热特性的四个主要工程参数为通道高宽比（）、惯性力（Γ）、孔隙度（ε）、有效导热系数比（）。研究发现，流体的惯性力对无量纲速度分布和液体温度分布有明显的影响，而对固体温度分布几乎没有影响。此外，整体Nu数随着和ε的增大而增大，而随着的增大而减少。

图2-2通道热沉示意图

Han-Chieh Chiu , Jer-Huan Jang, Hung-Wei Yeh, Ming-Shan Wu[15]研究了微通道水冷却的冷却特性，主要是通道尺寸（高宽比、孔隙度）和压降。图2-3为实验用的微通道热沉尺寸图。微通道热沉包括四个部分：进口区、出口区、微通道模块、顶盖。图2-4和2-5分别为微通道模型和实验装置系统图。实验装置包括热源、电源、泵、温度计、蓄水池、水

塔装置、过滤器和管路系统。

图2-3实验用的微通道热沉尺寸图

图2-4微通道模型。

图2-5实验装置系统图

研究表明压降和高宽比一定时，孔隙度在53%~75%之间时，有最小的热阻。在高宽比较大时，提高压力可以较大的提高冷却效果。同时，当地努赛尔数随着高宽比的增加而减小。

2.3树状微通道冷却

Xiang-Qi Wang, Arun S. Mujumdar , Christopher Yap[6]的研究表明常规平行管微通道和盘管微通道有一些固有的缺点，如出入口压降较大、温度分布不均匀。他们研究发现树状的通道结构有最小的通道阻力。与平行管微通道相比，树状微通道效率较高、需要的泵功较少，并且受堵塞的影响较小。

图2-6为一种典型的树状微通道模型。这个模型包括三个部分：底部的芯片、镶嵌在热沉中的树状微通道网络和热沉。

图2-6典型的树状结构微通道物理模型

堵塞可能是微粒的壅塞引起，这在微通道冷却系统中是很危险的。由于流体不能被分流，在平行管微通道和盘管微通道中通道的堵塞可能会引起系统的瘫痪。温度可能会升高超过芯片和热沉的温度限度。在平行管微通道中，因为热量可以由相邻的通道带走，某些管道的堵塞并不一定导致系统的瘫痪，但是温度还是会升高。

Xiang-Qi Wang, Arun S. Mujumdar , Christopher Yap[6]研究发现一个有趣的现象，尽管出口被堵塞，但是最高温度并没有上升。不同之处是，被堵塞的出口附近温度有一点点的升高。这表明对于树状微通道尤其是当分支次数较多时，部分通道的堵塞对冷却性能的影响远比平行管微通道和盘管微通道的要小。这也意味着树状微通道冷却系统的可靠性较高。