电子冷却技术调研

精选资料可修改编辑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/()WmK之间。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，主要精选资料可修改编辑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/()WmK。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1～1000μm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，但带来明显的精选资料可修改编辑压降[4]。由于该技术的容积效率达20W/℃/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(MicrochannelHeatsink,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10002/Wcm。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-HsinChen[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。精选资料可修改编辑图2-2通道热沉示意图Han-ChiehChiu,Jer-HuanJang,Hung-WeiYeh,Ming-ShanWu[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精选资料可修改编辑图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-QiWang,ArunS.Mujumdar,ChristopherYap[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。精选资料可修改编辑图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-QiWang,ArunS.Mujumdar,ChristopherYap[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。精选资料可修改编辑图2-7当某些出口堵塞时中间界面上的温度分布（图中黑色区域表示堵塞部分；单位：K）2.4叶顶间隙和通道内部肋片JungYimMin,SeokPilJang,SungJinKim[7]研究表明通道顶部间隙对微通道的冷却性能也有影响。顶部间隙对热沉传热现象有两个方面的影响，首先由于顶部表面传热系数的增大导致传热效率的提高；其次，由于旁路效应导致传热效率的降低。图21为有顶部间隙微通道热沉的示意图。总的热阻是肋的热阻和流体热阻之和。公式如下：finflow(1)肋的热阻包括肋表面的导热热阻和肋之间的对流热阻。maxbfinTTq(2)式中和分别是热沉底部的最高温度和体积平均温度。流体热阻导致了冷却介质从入口到出口的温升，由能量守恒可得：.1binflowpTTqmC(3)式中分别是进口温度、比热容、质流量。这里我们把泵功固定作为一个限定条件，在这个条件下，质流量并不固定而是随着系统精选资料可修改编辑的阻力变化而变化。图2-8有顶部间隙的微通道热沉示意图（a）微通道热沉；（b）计算范围。从图2-9中我们可以看出对于不同通道高宽比、孔隙度的微通道，在各种不同的泵功下，在/ccHW=0.6时都存在一个最佳的顶部间隙。当泵功为2.27W，在/ccHW=0.6时，最小的热阻是0.058。在/ccHW=0.6时，微通道热沉冷却性能与没有顶部间隙的相比，大约可以提高3.5%。图2-9热阻的变化示意图AndrewJ.L.Foong,N.Ramesh,TilakT,Chandratillekep[19]研究发现带内部肋片的微通道的流体流动和散热特性更好。图2-9为带4个内部肋片的微通道的示意图，微通道的尺寸为200m（W）200m(H)120mm(L)。微通道和肋片都是铝制的，壁面和肋片厚度分别为10m和20m，肋片的相对高度为0～0.85。结果表明，对于一个给定的微通道，精选资料可修改编辑有一个最佳的肋片高度。图2-9中的微通道的最佳相对高度为0.67。图2-9带4个内部肋片的微通道的示意图2.5微通道系统构成微流体系统作为MEMS的一个重要分支，是指能在微观尺寸下实现对复杂流体控制、操作和检测的系统，包括微传感器、微泵、微阀、微混合器和微通道等元件[16]。微通道中的流体流动行为与人们在日常生活中所见的宏观流体流动行为有着本质的差别,因此微泵、微阀、微混合器、微过滤器、微分离器等微型器件往往都与相应的宏观器件差别甚大,应用在电子芯片冷却方面,特别适合电子芯片向小体积、高集成度发展趋势。2.5.1微泵通常微通道驱动器采用所谓电动力泵。电动力泵是一种利用静电引力原理设计的液体泵，也称电容泵，液体在静电场作用下获得维持循环流动的充足动力。这种电动力泵完全摆脱了机械结构，无活动部件，因此，工作时几乎完全没有噪声，可靠性极高，寿命也远远高于传统水泵。于翮，张强，乔大勇，俞坚[14]研究离子拖曳电液动力微泵，运用MEMS技术在硅片上加工了离子拖曳微泵，微泵由一组平面电极组成，电极的宽度为40m，发射极和集电极之间的间距为50m，共有90对电极对，每组电极对之间的距离为100／zm。微泵静压力实验以HFETl00和无水乙醇作工作流体，通过施加直流电压来驱动工作流体，当输入电压精选资料可修改编辑为200V时，微泵可以得到250Pa的静压力。实验结果表明：微泵的静压力与施加的输入电压成二次方关系，同微流道的高度成反比。实验发现工作介质的物性参数也是决定泵性能的一个重要因素，选择合适的流体可以提高整个微泵冷却系统的性能。研究还表明，微泵的性能与工作寿命和实验环境的洁净度以及工作流体提纯密切相关。2.5.2微阀微阀作为微流体系统的主要元件之一，其作用包括径流调节、开／关转换以及密封生物分子、微纳粒子、化学试剂等，其性质包括无泄漏、死体积小、功耗低、压阻大、对微粒玷污不敏感、反应快、可线性操作的能力等[16]。目前，微阀主要被分为有源微阀和无源微阀。有源微阀需要在某种驱动能的作用下实现对微流体的控制，无源微阀则不需要从外部输入能量，通常在顺压与逆压作用下实现对微流体的控制。此外，按照最初的状态，微阀可分为常开型和常闭型两种(1)压电微阀压电驱动能够产生很大的驱动力、反应时间快，但即使有很高的电压，隔膜也只能产生很小的偏移量。J.Kruckow等人[17]利用体微加工的方法，通过硅熔融键合，将两层硅结构键合在一起，研制了一种由压电驱动的自封锁常闭型微阀，其结构和工作原理如图2-10所示。在没有施加电压时，该微阀具有良好的密封性能，当电压为100Ｖ时，气体流速为0.38ｍＬ／min。精选资料可修改编辑图2-10压电硅微阀原理图J.M.Park等人[18]研制了一种用于低温下流速调制的常开型压电微阀，它包括由绝缘体上硅（Ｓ2ＯＩ）制成的芯片、玻璃片、压电堆栈驱动器和玻璃陶瓷封壳。该阀的反应时间低于１ｍｓ，带宽可达820ｋＨｚ。在室温下，入口压力为55ｋＰａ时，若微阀全开（０Ｖ），流速可达980ｍＬ／ｍｉｎ，当施加60Ｖ驱动电压时，流速为０ｍＬ／ｍｉｎ，当温度为80Ｋ，入口压力为104ｋＰａ时，该阀能成功地将气体流速从350ｍＬ／ｍｉｎ调至20ｍＬ／ｍｉｎ。E.H.Yang等人［］研发了一种应用于微飞船的常闭型压电微阀，其结构如图２-11所示。当输入电压为10Ｖ，入口压力为2068.5ｋＰａ时，层流速率为52ｍＬ／ｍｉｎ。为使该阀完全打开，输入电压须为30Ｖ，微阀消耗的功率为３ｍＷ。由于阀座上含有窄边座套环和受张应力的硅支链，因而具有很好的防泄漏能力，当压力为5516ｋＰａ时，泄漏速率为１０－４ｍＬ／ｍｉ。图2-11防泄漏压电