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 ,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 gelsinger的預(yù)測(cè),如果芯片中的晶體管數(shù)量以

2、現(xiàn)在的速率一直增長(zhǎng)下去 ,到 2015 年就要和太陽表面一樣熱 ,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. 這是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的永久性傷

3、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 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 ,最多只能排出 cpu 廢熱的 60 %,因此僅

4、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低 ,甚至可降至 - 10 ,而另一面的溫度則迅速上升

5、 ,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)來傳送熱量.典型的熱管依次

6、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)用.2007-9-28 13:02 上傳 co

7、tter 首先提出微型熱管 見圖 2 的概念.該文提出在芯片上埋入微細(xì)熱管 ,平均管路直徑為10500 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) 200 w/cm 2.2007-9-28 13:02 上傳 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

8、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 2001 年的首次實(shí)驗(yàn)以來 ,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

9、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

10、通道集熱器 ,當(dāng)微管道寬度為 10 m 時(shí) ,cpu 溫度為 65,而當(dāng)寬度為100m 時(shí) ,cpu 溫度則高達(dá)85 ,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.2007-9-28 13:04 上傳 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 microchannelcooling , 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

11、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 工藝刻出無數(shù)平行 寬度約為 20100m 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)榧療崞鞯纳崦娣e 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

12、,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) ,無活動(dòng)部件 ,因此 ,工作時(shí)幾乎完全沒有噪聲 ,可靠性極高 ,壽命也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)水泵.2007-9-28 13:04 上傳 因?yàn)?cooligy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)頁的數(shù)據(jù) ,散熱通量甚至可達(dá)1000 w/cm2 ,體積小重量輕 ,無噪聲 ,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

13、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 ,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) 1

14、10 m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 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,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.2007-9-28 13:06 上傳 盡

15、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

16、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 ,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 上得來的.在 stm 上常常通過控制壓電材料來調(diào)節(jié)針尖的位置.這種壓電材料是

17、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控制電極板之間的間距 ,通過電壓來控制壓電位置調(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 的范圍內(nèi) 見圖 6 .2007-9-28 13:06 上傳 根據(jù)borealis 公司主頁上提供的 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

18、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 ,不久的將來可以通過工業(yè)手段大批量生產(chǎn) ,并有可能在未來 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