電子芯片散熱技術及其發(fā)展研究

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摘要：隨著電子芯片的集成化和微型化發(fā)展，對電子芯片的功能進行進一步升級和強化勢在必行，由于現(xiàn)階段大多數(shù)電子芯片的功耗持續(xù)提升并在工作中產(chǎn)生了大量熱量，從而影響到正常工作，所以對芯片的散熱技術進行深入研究非常必要。鑒于此，本文從主動式散熱和被動式散熱兩個層面出發(fā)進行分析研究，以期探究更加行之有效 的散熱技術應用措施

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關鍵詞：電子芯片；散熱技術；發(fā)展

基于現(xiàn)階段電子芯片的綜合性能越來越高、整體尺寸越來越小的發(fā)展情況，電子芯片工作過程中所呈現(xiàn)出的熱流密度同樣大幅提升，傳統(tǒng)的風冷散熱已經(jīng) 很難滿足當下電子芯片的散熱需求，因此，對芯片散熱技術進行優(yōu)化研究，并對當下的散熱方式加以創(chuàng)新調(diào)整對于保障電子芯片的穩(wěn)定運行至關重要。由此可見，在新的發(fā)展時期，推動新型高效的電子芯片散熱技術研究發(fā)展迫在眉睫。

1 主動式散熱

1.1 液體冷卻

1.1.1 微通道液體冷卻

從現(xiàn)階段的研究熱點角度進行分析，當下，部分研究人員雖然對微通道當中的實際沸騰、流動特性開展了大量的科學研究，但是基于具體的工作情況和散熱冷卻公式，以及微通道的結(jié)構(gòu)尺寸等差異性要素影響下，微通道液體冷卻研究仍然存在部分基礎性的問題亟待解決。比如，在部分研究過程中，微通道液體冷卻存在著流動穩(wěn)定性較差的問題；一些研究人員在對主導傳熱機制和流行預測等相關內(nèi)容進行分析的時候受到外部因素影響難以進行有效研究；部分工作者對于傳熱和壓強的預測方法以及臨界熱流密度等相關要素的研究無法形成一致的認識。除此之外，在微通道的平行矩形通道數(shù)量為 27，其中的水力直徑達到 421 微米情況下開展研究工作所得結(jié)果顯示，在熱流密度相對較低的運行狀態(tài)下，流行往往呈現(xiàn)出泡狀流和斷塞流狀態(tài)，而傳熱機制則表現(xiàn)出核態(tài)沸騰現(xiàn)象，與此同時，微通道當中的換熱系數(shù)變化情況與熱流密度的變化呈正相關。另一方面，在熱流密度較高的情形下，微通道當中的流行通常表現(xiàn)為環(huán)狀流，與此同時，傳熱機制則呈現(xiàn)出對流沸騰狀態(tài)，在此情形下， 換熱系數(shù)與質(zhì)量流量之間呈現(xiàn)出一定的正向關聯(lián)，在質(zhì)量流量不斷增大的同時，換熱系數(shù)會隨之增大，但 在流量相對較低的情況下則會發(fā)生干燒現(xiàn)象。

1.1.2 液體噴霧冷卻

液體噴霧冷卻運行方式主要是指借助噴嘴噴出的微小液滴對電子芯片所產(chǎn)生的熱量進行發(fā)散，具體來看，在液體噴霧冷卻運作過程中，噴嘴所噴出的細小液滴能夠在電子芯片的熱源表面組建冷卻液薄膜，在薄膜的流動過程和微小液滴蒸發(fā)過程中，電子芯片表面的熱量將會被帶走。除此之外，液體噴霧冷卻散熱方式還能夠在很大程度上消除電子芯片熱源和冷卻機 之間的熱阻，在液體薄膜運作過程中，由于薄膜能夠夾帶空氣，從而促使二次成核的實現(xiàn)，所以液體噴霧冷卻操作方式能夠有效提高換熱系數(shù)。結(jié)合具體的研究成果進行分析，可知，噴霧冷卻的向變換熱熱流密度甚至能夠超過 1000 瓦 / 平方米。歸根結(jié)底，液體噴霧冷卻散熱技術具有比較強的功能性，并且在實際運行過程中，其冷卻液的流量相對較小，并且整體的溫度分布均勻程度較高，整體過熱度比較低。由此可見， 液體噴霧冷卻散熱方式在當下的電子芯片散熱研究過程中具有非常優(yōu)質(zhì)的研究意義，在高熱流密度電子芯片散熱技術當中也極具優(yōu)化發(fā)展?jié)摿?。當然，任何技術手段在具備強大優(yōu)點的同時，也會存在一些不足之處，液體噴霧冷卻技術則體現(xiàn)在實際工作中起噴嘴容易出 現(xiàn)堵塞問題，與此同時，液體噴霧冷卻換熱機的工作 原理相對復雜，并且實際運行過程中同樣存在一些系 統(tǒng)過于緊湊和換熱，即在強化等問題未能得到良好解決，此外，液體噴霧冷卻工作過程中，噴嘴的工作壓力應該保持在兩個大氣壓及以上。總體而言，在對液 體噴霧冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化研究的時候，工作人員應該結(jié)合系統(tǒng)當中的泵驅(qū)動循環(huán)不足之處進行進一步研究， 從而有效解決系統(tǒng)復雜性和壓力控制等相關問題，從而使液體噴霧冷卻的工作可靠性得到進一步的加強。

1.1.3 液體噴射冷卻

相比液體噴霧，液體噴射冷卻工作過程中，需要借助高速射流在電子芯片的熱源表面構(gòu)成邊界層以此實現(xiàn)換熱目標，從本質(zhì)作用上來看，液體噴射冷卻操作方法能夠在電子芯片的部分位置產(chǎn)生非常強大的對流換熱效果。在實際的液體噴射冷卻應用過程中，比較常用的工質(zhì)主要為液氮和水以及 FC 72 等相關物質(zhì)。就當下液體噴射冷卻的研究成果而言，在電子芯片的表面溫度處于 85 攝氏度并且流量在 2.5 升 / 分鐘以下 的基礎上，氣壓低于 36.05 千帕時液體噴射冷卻技術 的散熱能力能夠大于 300 瓦 / 平方米。由此可見，液 體噴射冷卻技術作為大功率電子設備散熱技術，在當下行業(yè)發(fā)展背景當中具有比較光明的發(fā)展前景，能夠在電子芯片的局部散熱方面發(fā)揮積極作用。當然， 從液體噴射冷卻技術的缺點和不足方面來看，在噴射 冷卻的單向換熱過程當中，由于冷卻液體逐漸流向出 口，所以由高速射流而形成的邊界層厚度將會有所增加，基于此，液體噴射冷卻的整體換熱系數(shù)將會隨之下降。另外，雖然單個噴嘴的液體噴射冷卻結(jié)構(gòu)能夠在很大程度上提高局部冷卻的效率，但與此同時，單個噴嘴結(jié)構(gòu)也會對冷卻均勻程度造成一定的限制，因此，在真實的散熱時間過程中，往往需要涉及多個噴嘴來保障冷卻的均勻度，但是由于液體噴射冷卻工作過程中進行的高速射流本身具備比較大的作用力，所以在多個噴嘴共同進行噴射的時候，流體之間又會發(fā)生相互作用，從而導致?lián)Q熱復雜性有所提升。另外， 與液體噴霧冷卻相似，為了有效保障電子芯片的可靠性，在利用液體噴射冷卻技術的時候需要嚴格地控制噴射壓力，避免噴射操作對電子芯片造成破壞?？梢姡?現(xiàn)階段仍然需要對液體噴射冷卻技術進行更進一步的創(chuàng)新優(yōu)化研究。

1.2 微型蒸汽壓縮制冷

蒸汽壓縮制冷技術主要是指在溫度環(huán)境相對較高的條件下發(fā)揮冷卻作用的工作方式，從電子芯片散熱角度來看，蒸汽壓縮制冷能夠使芯片保持在溫度相對較低的條件下，并且具有更強的可靠性，整體的制冷效率也比較高，在穩(wěn)定運行的條件下，能夠達到其他 制冷方式的 3 倍制冷效率，由此可見，微型蒸汽壓縮制冷是當下電子芯片散熱技術當中效率最高的方式。但是相比其他散熱技術而言，蒸汽壓縮制冷實際操作過程中，需要具備比較大的散熱空間，由于壓縮機在運行過程中同樣可能出現(xiàn)系統(tǒng)工作方面的穩(wěn)定性問題，所以在電子芯片微型化發(fā)展過程中利用蒸汽壓縮制冷進行散熱的時候也需要從系統(tǒng)微型化方面進行研究，但這樣也會導致蒸汽壓縮制冷的成本相對更高。從當前微型蒸汽壓縮制冷技術的發(fā)展情形上來看，現(xiàn)階段該技術存在著缺乏可靠技術、蒸發(fā)器結(jié)露問題顯著、制冷系統(tǒng)封裝困難等相關問題。從當下針對電子芯片的微型蒸汽壓縮制冷技術開展的研究工作成果上來看，在實際的電子芯片散熱過程中有效控制微型蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)當中的制冷劑充注量和毛細管長度， 對于保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行，提高整體系統(tǒng)性能水平有著直接影響，如果將制冷劑的充注量和毛細管的長度控 制在合理的范圍內(nèi)，那么整體的制冷系統(tǒng)將會呈現(xiàn)出最佳的工作狀態(tài)。除此之外，為了進一步降低微型蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的運行成本，需有效提高蒸發(fā)器工作穩(wěn)定性，降低漏熱問題的發(fā)生概率，并降低壓縮機的實際功耗，這對于保障散熱效果，降低制冷成本意義重大。

1.3 熱電制冷

熱電制冷技術在消除電子芯片的局部熱點方面具有比較顯著的優(yōu)勢作用，通常情況下，在實際的電子芯片散熱技術應用過程中可以將熱電制冷落實在制冷量相對較小并且對裝置小型化具有一定要求的場合當中。具體來看，熱電制冷技術本身不具備運動部件， 與此同時，在實際工作中，熱電制冷具有非常強的可靠性和穩(wěn)定性，并且能夠?qū)嶋H的溫度進行精準地把 控，其對溫度的控制精度能夠達到 0.1℃范圍內(nèi)。與此同時，熱電制冷技術具有非常高的反應靈敏性，由于整體的熱電制冷技術結(jié)構(gòu)相對簡單，并且可集成度高，所以在實際操作過程中所具備的技術操作難度也相對較小。而從熱電制冷技術的發(fā)展方向上來看，當下電子芯片散熱工作中熱電制冷技術具有靈活性較差的缺點，并且相比于上文提到的蒸汽壓縮制冷而言， 熱電制冷的效率僅能達到 0.1 到 0.4，由此可見，在當下的熱電制冷技術優(yōu)化研究過程中，相關人員需要從提高制冷效率和制冷量層面開展具體的設計優(yōu)化研究。通過深入開展科研工作來進一步提高熱電制冷的材料優(yōu)質(zhì)系數(shù)，并對熱電材料的整體成本進行控制研究，通過全面優(yōu)化熱電制冷片熱端的散熱方式設計， 有效提高熱電制冷的整體工作效率。結(jié)合現(xiàn)階段熱電制冷的發(fā)展情況來看，當下熱電制冷技術的理論體系已經(jīng)趨于成熟，但是熱電制冷技術在熱電材料和熱端散熱方式方面卻仍然存在著比較大的發(fā)展空間，因此， 在未來的電子芯片散熱技術研發(fā)過程中，立足于熱電材料進行發(fā)展路徑拓展和探索非常可行。

2 被動式散熱

2.1 熱管冷卻

在新時代下，對電子芯片的被動散熱技術進行研 究時，工作人員應該充分重視熱管冷卻的具體研究優(yōu)化，并且，相關人員應該結(jié)合電子芯片微型化的發(fā)展特點，充分重視微熱管冷卻技術的研究工作。具體來看，相比于傳統(tǒng)熱管而言，微熱管在冷卻工作過程中 能夠被直接地鑲嵌在硅基板當中，如此一來，在微熱管冷卻技術工作過程中，相關電子模塊和熱沉之間的接觸熱阻將會在很大程度上得到縮減，與此同時，微熱管在工作中能夠非常有效地對電子芯片當中的熱點部位進行降溫，并且也能夠在很大程度上使電子芯片 表面的溫度更加均勻的分布。而從熱管冷卻技術的應用層面進行基礎性研究，可知當下微熱管冷卻仍然存在著比較龐大的發(fā)展空間，具體來看，在現(xiàn)階段的熱管研究過程中，工作人員應該注意結(jié)合熱管冷卻的實際封裝方法開展優(yōu)化改進研究，與此同時，也應該立足于微尺度相變換熱機理不斷推進研究工作深入，通過對熱管當中的相變行為和濕潤過程等進行全面了解和研究來進一步對微熱管傳熱極限相關的參數(shù)影響加以明確并掌握相關影響規(guī)律。除此之外，散熱技術科研人員還應該從降低制作成本角度對微熱管冷卻技術加以研究，找尋復雜工藝手段的應用縮減途徑，積極研究新型材料以減少材料使用量，從而在保障熱管冷卻散熱效果的同時控制加工制作成本。

2.2 相變儲熱散熱最后，在相變儲熱散熱技術的研究過程中，工作人員應該結(jié)合具體的散熱運作原理進行綜合性的科研分析，具體來看，相變儲熱散熱工作過程中會借助儲熱材料將電子芯片運行過程中所產(chǎn)生的熱量通過相變潛熱的形式進行吸收和儲存并輔助以其它散熱方式將電子芯片熱量徹底去除。從本質(zhì)作用上來看，相變儲熱散熱技術能夠在短時間內(nèi)對大功率的電子芯片進行 散熱，在相變儲熱散熱工作過程中，電子芯片散熱不及時和熱量聚集等問題的發(fā)生率將會大幅降低。追根溯源，相變儲熱散熱技術能夠?qū)﹄娮有酒臒崃窟M行削峰填谷，對于保障電子芯片的正常運行、防止芯片過熱失效有著積極作用。因為相變材料本身具有非常強的潛熱性，并且實際的應用成本較低，熔點范圍也很廣，所以在實際的電子芯片散熱落實過程中，相變儲熱散熱技術已經(jīng)逐漸成為當下電子芯片熱量控制的主要技術手段內(nèi)容。綜上所述，在當下的電子芯片散熱技術研究過程中，相關人員應該基于相變儲熱溫度波動幅度小和系統(tǒng)操作簡單方便等優(yōu)勢，積極推進技術發(fā)展研究落實，同時，從當下相變材料封裝和熱導率等相關問題出發(fā)，積極開展研究工作，有效解決相變儲熱散熱技術中存在的問題，提高相變儲熱散熱對 電子芯片的溫度控制性能水平。

3 結(jié)語

結(jié)合上文敘述進行綜合分析不難看出，在新的科 技發(fā)展時期結(jié)合電子芯片的功能優(yōu)化發(fā)展情況，對散 熱技術進行創(chuàng)新研究是現(xiàn)階段關鍵的研究課題。從業(yè)人員在實際工作過程中，應該立足于主動式散熱和被動式散熱兩個方向?qū)唧w的散熱技術內(nèi)容進行深入剖析，從液體冷卻、微型蒸汽壓縮制冷、熱電制冷等方面對主動式散熱進行全面的優(yōu)化分析，立足于熱管冷 卻和相變儲熱散熱推進被動式散熱技術更新升級， 以此全面有效的為電子芯片散熱帶來更加優(yōu)質(zhì)的技術發(fā)展內(nèi)容，真正為芯片散熱技術的未來發(fā)展保駕護航。

來源：Industrial Technology Innovation

作者：朱俞翡