CPU散熱技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)論文非原創(chuàng),看點(diǎn)制冷芯片

1、電子散熱關(guān)系到電子設(shè)備的可靠性和壽命,是影響當(dāng)今電子工業(yè)發(fā)展的一個(gè)瓶頸 .伴隨著電子產(chǎn)業(yè)高性能、微型化、集成化的三大發(fā)展趨勢(shì),散熱問題越來(lái)越突出 . 尤其是對(duì)于熱負(fù)荷敏感度較高的 CPU 而言 ,熱量在芯片處的累積 將嚴(yán)重影響其穩(wěn)定性和使用壽命 .有研究表明 ,單個(gè)電子元件的工作溫度如果 升高10 C,其可靠性則會(huì)減少50 %;而CPU失效問題的55 %都是由于過熱引 起的。目前，高頻的 Pentium4 E已突破100 W功耗大關(guān),Smith2field核心 Pentium D雙核處理器的功耗更是攀至130 W.根據(jù)Intel的首席技術(shù)官Patrick Gels in ger的預(yù)測(cè),如果芯片

2、中的晶體管數(shù)量以現(xiàn)在的速率一直增長(zhǎng)下去，到2015 年就要和太陽(yáng)表面一樣熱 ,這當(dāng)然是不可想象的 .因此 ,為了使 CPU 發(fā) 揮最佳性能并保證其可靠性 ,研究實(shí)用高效的芯片冷卻方法也就成為了日益 重要和緊迫的問題 . 本文將對(duì) CPU 散熱技術(shù)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。1CPU 散熱方式及存在問題根據(jù)電子學(xué)理論 ,過熱所導(dǎo)致的“電子遷移”現(xiàn)象是損壞CPU 內(nèi)部的芯片主要原因 .“電子遷移”是指電子流動(dòng)所導(dǎo)致的金屬原子遷移的現(xiàn)象.在芯片內(nèi)部電流強(qiáng)度很高的金屬導(dǎo)線上 ,電子的流動(dòng)給金屬原子一個(gè)動(dòng)量,一旦與金屬原子碰撞 ,使得金屬原子脫離金屬表面四處流動(dòng) ,結(jié)果就導(dǎo)致金屬表面 上形成坑洞或土丘 .

3、這是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的永久性傷害 ,如果一直持續(xù)這個(gè)慢 性過程，到最后就會(huì)造成核心內(nèi)部電路的短路或斷路，徹底損壞CPU. “電子遷移”現(xiàn)象受許多因素影響 ,其中溫度因素起了決定性的作用 .溫度的升高會(huì) 使自由電子的動(dòng)能大大增加 ,對(duì)金屬原子的碰撞也更強(qiáng)烈 . 同時(shí) ,隨著溫度的 增加 ,金屬原子本身的熱運(yùn)動(dòng)也增強(qiáng) ,電子遷移現(xiàn)象就越容易發(fā)生 . 這就是為 什么要把CPU的溫度維持在50 C以下的原因.（1）風(fēng)冷法 .在 CPU 上安裝散熱片以擴(kuò)大散熱面積 ,并在散熱片上安裝一個(gè)小風(fēng)扇 ,讓 空氣強(qiáng)迫對(duì)流帶走熱量 .這種散熱方式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單實(shí)用,且價(jià)格低廉 .但其缺點(diǎn)在于: 冷卻效率低 ,最多只能排

4、出 CPU 廢熱的 60 %,因此僅依靠傳導(dǎo)和 對(duì)流的風(fēng)冷法散熱器已經(jīng)接近了其導(dǎo)熱極限 ; 隨著風(fēng)扇的功率和轉(zhuǎn)速的增 大,產(chǎn)生的噪聲也隨之增大 ; 由于風(fēng)扇是運(yùn)動(dòng)部件 ,比較容易損壞 .（2）水冷法 . 它是用密封性良好的水槽 一般用鋁或鋁合金制成 貼在 CPU 表面 ,然后通 以水循環(huán)系統(tǒng) ,將 CPU 發(fā)出的熱量帶走 . 這種方法的散熱效率比風(fēng)冷散熱 高,但它需要較復(fù)雜的水冷卻系統(tǒng) ,并且使用不便 ,安裝麻煩 ,而且還有漏水和結(jié)露的隱患.(3) 半導(dǎo)體致冷片法.它是基于帕爾貼效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)的，通常采用陶瓷封裝的半導(dǎo)體串聯(lián)方式.其工作 原理實(shí)際上是熱量轉(zhuǎn)移，當(dāng)接通直流電時(shí)，半導(dǎo)體的冷面溫度迅速降

5、低，甚至 可降至-10 C,而另一面的溫度則迅速上升，從而達(dá)到降低表面溫度的作用.半導(dǎo)體致冷的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需任何制冷劑，壽命長(zhǎng)，安裝簡(jiǎn)單，可通過控制電流實(shí) 現(xiàn)高精度的溫度控制.它同樣也存在缺點(diǎn)：制冷效率低；工藝不成熟、價(jià)格 高;容易因冷面溫度過低而出現(xiàn)的 CPU結(jié)露，從而導(dǎo)致短路的現(xiàn)象.因此， 隨著芯片尺寸的不斷減小、CPU頻率的升高和散熱量的迅速增加，需要新型 的CPU散熱器來(lái)替代原有的散熱技術(shù).以下主要介紹3種新型CPU散熱 技術(shù):熱管散熱技術(shù)、微通道散熱技術(shù)和制冷芯片技術(shù) .2 新型CPU散熱技術(shù)熱管散熱技術(shù)熱管是以相變來(lái)強(qiáng)化換熱的技術(shù)，它利用封閉在真空管內(nèi)的工作物質(zhì)，反復(fù)進(jìn)行 沸騰或凝結(jié)來(lái)

6、傳送熱量.典型的熱管依次可劃分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段三部 分見圖1 .管內(nèi)裝入的液體稱為工作液，是熱量傳遞的介質(zhì).首先，蒸發(fā)段的工 作液從外部吸收熱量后沸騰成為氣相，在氣壓差的驅(qū)使力作用下進(jìn)入冷凝段，遇 到較冷的管壁便凝結(jié)為液體并釋放熱量；接著，通過熱管中心處設(shè)置的吸液芯， 利用它與工作液的表面張力所產(chǎn)生的毛吸力再將工作液送回到蒸發(fā)段.反復(fù)進(jìn)行上述過程，從而不斷將蒸發(fā)段的熱量傳送到冷凝段，再通過散熱片傳遞出去.由 于熱管是通過相變潛熱來(lái)傳遞熱量，其導(dǎo)熱性能很高，甚至是相同尺寸銅管的幾 十倍以上，因此適合在狹小空間中高熱量的排放 ，在筆記本電腦中已經(jīng)得到應(yīng)Cotter首先提出微型熱管見圖2的概

7、念.該文提出在芯片上埋入微細(xì)熱管,平 均管路直徑為10500卩m，長(zhǎng)為數(shù)毫米至數(shù)厘米之間此熱管不需要毛細(xì)結(jié)構(gòu) 斷面成多角形狀，通過內(nèi)腔尖角區(qū)作為液態(tài)工質(zhì)回流的通道，以及通過尖角區(qū)產(chǎn)生的軸向毛細(xì)壓差將液態(tài)工質(zhì)從冷凝段壓回蒸發(fā)段，從而完成工質(zhì)的循環(huán).由于200 W/cm 2.微熱管還兼具微槽道冷卻的優(yōu)點(diǎn)，因而在小空間下的強(qiáng)化換熱中很有前景有報(bào)道稱，利用IC工藝制成的多根微型熱管陣列，其冷卻功率可達(dá)圖2微型熱席截血號(hào)總圖由Maidanik所發(fā)明回路熱管是另一種形式的熱管.由于它能在小溫差、長(zhǎng)距離的 情況下傳遞大量熱量，故在航天航空方面應(yīng)用比較廣泛 ，在電腦和電子器件應(yīng)用 中也有著非常廣闊的前景自20

8、01年的首次實(shí)驗(yàn)以來(lái)，涌現(xiàn)了許多50 g左右 的LHP散熱器，這些散熱器的熱通量大致在 2530 W.人們也在測(cè)試一種新型 的6 mm直徑LHP散熱器，其最大散熱通量為70 W左右但由于LHP主要是近20年 內(nèi)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，在理論和應(yīng)用方面還需要進(jìn)一步的深入研究綜上所述，熱管的優(yōu)勢(shì)在于其優(yōu)良的導(dǎo)熱性和等溫性，熱響應(yīng)速度快，質(zhì)量輕且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單此 外由于熱管沒有運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)行可靠、耐用，并且能在失重狀態(tài)下工作，傳熱距 離長(zhǎng)且沒有方向的限制.當(dāng)然，傳統(tǒng)熱管在設(shè)計(jì)上同樣也存在毛細(xì)管、飛散、沸 騰、音速和黏性上的限制，當(dāng)尺寸變小時(shí)，表面張力與相變化對(duì)小尺寸效應(yīng)的綜 合考慮，以及用多邊形通道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)

9、取代目前普遍采用的三角形流道，都是熱管設(shè)計(jì)分析的重要課題.微通道散熱技術(shù)微通道熱沉的概念最早由 Tuckerman和Peace于 1981年提出的，它是由具有 高導(dǎo)熱系數(shù)的材料構(gòu)成根據(jù)Riddle等的研究:流量一定時(shí)，矩形通道中流體總 的熱傳導(dǎo)系數(shù)與通道水力直徑成反比隨著通道直徑的減小，換熱系數(shù)相應(yīng)增加，同時(shí)系統(tǒng)的散熱面積與體積比也顯著增加.因此盡管體積不斷減小，散熱能 力反而得到極大的提高從圖3中可看出，兩種具有相同長(zhǎng)度和高度的微通道集 熱器，當(dāng)微管道寬度為10卩m時(shí)，CPU溫度為65C,而當(dāng)寬度為100卩m 時(shí),CPU溫度則高達(dá)85 C，顯然寬度越小對(duì)散熱越有利，因此，尺寸因素對(duì)微通 道散

10、熱器的影響是至關(guān)重要的，而這又直接影響了 CPU的運(yùn)行性能.10 gnrL100r址弋在微通道散熱器領(lǐng)域，比較成熟的應(yīng)屬美國(guó)Cooligy公司推出的產(chǎn)品.其生產(chǎn)的水冷式芯片，采用了主動(dòng)微通道冷卻技術(shù) Active Micro Cha nn elCooli ng , AMCC .這項(xiàng)新技術(shù)中包含3個(gè)主要部分：微管道集熱器，用于傳送具備吸熱功 能的液體;散熱器，用于將熱量傳導(dǎo)散發(fā)至空氣中；一臺(tái)電力動(dòng)能泵，用于推動(dòng)液 體流過微管道集熱器相對(duì)于傳統(tǒng)的水冷，AMCC的技術(shù)核心在于兩點(diǎn)：一是微 通道集熱器，一是無(wú)噪聲電動(dòng)力泵微通道集熱器相當(dāng)于水冷頭，通過高導(dǎo)熱介 質(zhì)貼覆在核芯表面，甚至直接與CPU 一體化

11、制造.其與核芯接觸部分的內(nèi)表面 通過DRIE或LIGA工藝刻出無(wú)數(shù)平行 寬度約為20100卩m的微溝槽，再經(jīng) 鍵合封裝形成封閉的循環(huán)通路，而液態(tài)工作介質(zhì)則沿著這條通路往復(fù)流動(dòng).因?yàn)?集熱器的散熱面積比傳統(tǒng)水冷頭增加了數(shù)百倍和熱傳導(dǎo)系數(shù)都很大，使得核 心溫度與液體介質(zhì)的溫度幾乎持平.電動(dòng)力泵見圖4是一種利用靜電引力原 理設(shè)計(jì)的液體泵.該散熱器采用的液體輸熱介質(zhì)是混有少量特殊物質(zhì)的水，該介質(zhì)在通過電動(dòng)力泵內(nèi)設(shè)置的多孔材料時(shí)會(huì)因在接觸面產(chǎn)生電雙層現(xiàn)象而附上靜 電，在泵兩端產(chǎn)生的靜電力場(chǎng)的作用下，液體可以獲得維持循環(huán)流動(dòng)的充足動(dòng)力這種電動(dòng)力泵完全擺脫了機(jī)械結(jié)構(gòu)，無(wú)活動(dòng)部件，因此，工作時(shí)幾乎完全沒有噪

12、聲，可靠性極高，壽命也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)水泵.X iian orinNAcrylic 瑞nSinurcd lbu LT glass Irh圈4電動(dòng)力衆(zhòng)內(nèi)部魴構(gòu)圖因?yàn)镃ooligy的產(chǎn)品采用了電力動(dòng)能泵和微通道散熱器，因而擁有許多杰出的性能，諸如散熱性能優(yōu)越 據(jù)其官方網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)，散熱通量甚至可達(dá)1000 W/cm2 , 體積小重量輕，無(wú)噪聲，性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長(zhǎng),與芯片的集成性好，成本 低等然而，減小微通道的寬度不僅可以增加散熱能力，同時(shí)也會(huì)引起壓力降升高，增加微通道的壓力負(fù)載及泵的功率.此外，微通道的堵塞問題、低雷諾數(shù)下微 流體的流動(dòng)問題都是極需深入探討的隨著微通道散熱器本身的技術(shù)進(jìn)一步完善，

13、這種產(chǎn)品將有更大的發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)需求制冷芯片制冷芯片是由Borealis公司開發(fā)出的產(chǎn)品，它是基于熱離子換能效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)的. 熱離子換能效應(yīng)早在1900年即被發(fā)現(xiàn)，即當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體接觸時(shí)，一種導(dǎo)體 作為冷端釋放電子，另一種導(dǎo)體作為熱端接受電子這樣，通過高低能電子的交 換從而實(shí)現(xiàn)熱能的傳遞然而該項(xiàng)技術(shù)并未在20世紀(jì)70年代立刻得到實(shí)現(xiàn)， 其原因有如下： 器件只有在兩個(gè)板間的距離極小時(shí)110 m卩才可能發(fā)生熱離子換能效應(yīng) 見圖5左，而當(dāng)時(shí)的半導(dǎo)體微加工工藝尚無(wú)法滿足這一要求； 即便材料能發(fā)生電子發(fā)射，所要求的勢(shì)壘也很高，只有當(dāng)熱端達(dá)到2 000 C時(shí)才可能發(fā)生，而許多金屬在達(dá)到這一溫度之前早已溶化

14、，并且極高的工作溫度對(duì) 系統(tǒng)的耗能量要求巨大，不可能有實(shí)用的價(jià)值而制冷芯片在傳統(tǒng)熱電離子發(fā)射 的基礎(chǔ)上，采用了量子力學(xué)隧穿效應(yīng)的理論，即將兩塊電極板的間距控制在納米量級(jí)110nm,從而有效降低需要克服的勢(shì)壘，在常溫下實(shí)現(xiàn)兩個(gè)大表面之間的電子隧穿 見圖5右，加之近年來(lái)微加工工藝的極大進(jìn)步，人們就能很好地解決 上述的兩個(gè)難題.I 1U沖】3 1(1 nm盡管熱隧穿具有很多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際運(yùn)用中卻有著相當(dāng)多的困難 Huffman在 1965年曾經(jīng)用鋁作為兩塊電極板，中間用2 nm厚的Al O作為絕熱材料.但這 個(gè)設(shè)想存在一個(gè)很致命的問題：當(dāng)溫差增大時(shí)，這層納米級(jí)厚度而面積很大的 Al O薄膜的熱導(dǎo)率同

15、樣也在增大，因此，在通過熱隧穿傳遞熱量的同時(shí)，熱量又通 過Al O薄膜回到冷端.要想保持冷熱端的巨大溫差 T ,大約需要100萬(wàn)層這樣的Al O薄膜,顯然這是不可行的.而Borealis公司采用的絕熱材料則是“真空”，因?yàn)閷?shí)際上，最好的絕熱材料就是真空本身，其絕熱性能要比任何固 體都強(qiáng)得多，又不阻礙隧穿電子穿越勢(shì)壘于是制冷芯片就采取了真空二極管的 形式，由于真空卓越的絕熱性，使得熱量傳遞到熱端后很難能再回到冷端，從而 很好地解決了熱量回流的問題，因此，從理論上來(lái)講熱離子換能的效率較高，其 期望的卡諾效率為55 %，大大超過熱電的5 %8 %，也高于壓縮制冷的卡諾效率 45 % .另外一個(gè)嚴(yán)峻的

16、問題就是，要想在兩塊電極板之間形成 110 nm的間距 不是一件容易的事情，即使可以通過微加工工藝制作出來(lái)，如何保持如此細(xì)微的 縫隙也是件很令人頭疼的問題.Cool Ship解決方案的靈感是從掃描隧道顯微鏡 STM上得來(lái)的.在STM上常常通過控制壓電材料來(lái)調(diào)節(jié)針尖的位置.這種壓電 材料是用單晶石英結(jié)構(gòu)的材料制成的，當(dāng)加上電壓時(shí)，它就可以極其快速且精確地改變其形狀這樣,STM就能夠以持續(xù)的電壓保持針尖接近試樣表面的狀態(tài).于是，Borealis公司利用壓電材料來(lái)控制電極板之間的間距，通過電壓來(lái)控制壓電位置調(diào)節(jié)器上下移動(dòng)，再通過電容傳感器反饋出當(dāng)前的電壓，最終將電極板間的間距保持在110 nm的范圍

17、內(nèi)見圖6 .SjJi；T Cool hip的設(shè)訃方棠根據(jù)Borealis公司主頁(yè)上提供的Cool Chip的信息可知,制冷芯片在室溫下的 理論散熱通量為5kW/cm2 ,加之其體積小、輕便、有效且成本低廉，所以應(yīng)用范圍十分廣泛.此外，它可以實(shí)現(xiàn)薄膜式的固體冷卻，從而能很好地避免芯片上的局部熱點(diǎn).制冷芯片還能夠相互串聯(lián)組成陣列的形式，具有可組合性，可以適合任何形狀外表的散熱，并提供更強(qiáng)大的制冷能力理論上,1 in2 cm2大小的 CoolChip裝置已經(jīng)足夠供一臺(tái)冰箱使用,2 in2大小的Cool Chip等同于一臺(tái)為起居室散熱的空調(diào)，而5 in2大小的產(chǎn)品就能夠?yàn)檎g房子制冷了，因此，PC制冷

18、只是Cool Chip顯示自己略顯身手的地方.但是要注意將熱端的熱量及時(shí) 散發(fā)出去，需要額外使用被動(dòng)散熱，否則就會(huì)導(dǎo)致熱端溫度過高而燒壞制冷元件. 由于Cool Chip的冷卻性能優(yōu)于目前幾乎所有的散熱技術(shù)，其應(yīng)用前景是很樂觀的，很可能在許多應(yīng)用取代現(xiàn)有的各種制冷方式，如廣泛地應(yīng)用到飛機(jī)、導(dǎo)彈、 火箭引擎、衛(wèi)星等高科技領(lǐng)域伴隨著Cool Chip加工技術(shù)的不斷成熟，不久的 將來(lái)可以通過工業(yè)手段大批量生產(chǎn)，并有可能在未來(lái)20年內(nèi)處于領(lǐng)先地位.3外部散熱問題以上大都是針對(duì)將芯片內(nèi)部熱量傳至表面的辦法，盡管這些冷卻方法的散熱性能十分突出，但仍然需要合適的外部散熱裝置，否則就會(huì)引起熱量回流和冷卻器過熱的問題，這就依賴于