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空间辐射制冷器的工作原理分析及应用浅谈电子芯片冷却技术及其应用刘宇高洪岩(哈尔滨电工仪表研究所，黑龙江哈尔滨150000)摘要：目前．电子系统朝微型化方向发展的速度越来越快，电子芯片的可靠性主要取决于其内部组件本身及组件问的温度高低，可见电子芯片冷却技术的重要性。本文主要研究了电子芯片冷却技术厦其应用，详细探讨了风扇冷却技术和液体冷却技在电子芯片冷却技术的发展和应用。关键词：电子芯片；冷却技术；风扇冷钾：液体冷却电子技术的发展使电路及其芯片散热问题显得格外突出，这个问题包括两个方面：其一是电子器件和芯片的散热(高于环境温度)，因为随着电子器件和芯片性能的提高，其本身消耗的功率也必然要增加，同时产生的废热也就大量增加．这就需要良好的散热，才能保证其正常的工作；另外一方面，大量的电子及光电子器件等都需要工作在较低的(低于环境温度)Yt稳定的温度环境才能发挥其正常的功能，电子芯片冷却新技术的研究工作便显得迫在眉睫。目前，电子芯片冷却中应用最广泛的有两类方法。风冷和液冷。风冷即利片I风扇产生的循环气流对芯片冷却，该方法由于散热冷却效果差，仅仅适用于集成度和运算速度低的普通芯片散热。而液冷是由于液体因单位热容相对气体大，因而作为循环工作的冷却方式能达到比风冷更高的冷却效果。随着芯片功耗的增加，液冷技术引起越来越多研究人员的重视，液冷方案的市场占有率正处于上升趋势。因此液体冷却是目前比较理想且可行的芯片散热方式。l传统风扇冷却技术的应用风扇加热沉是目前芯片冷却使用得最普遍的形式。风扇散热器的结构简单．使用方便，冈而受到了广大用户的青睐。然而，随着电子元器件发热功率的迅速增长，风扇散热器也随之进行r改进，常规的方法是提高风扇的转速和增大翅片的尺寸。但是这两种方法都不能无限地增加风扇散热器的散热能力，风冷技术已不能满足芯片日益增长的散热要求。例如传统的计算机芯片冷却技术是由换热器及风扇组成的强迫风冷系统。如图l所示，是一固定了换热器及风扇的奔腾4处理器示意图。芯片通过热环氧树脂和换热器连接在一起，CPU风扇被用来向换热器传送受迫空气。在主频2GHz的奔腾Ⅳ处理器上，转速4000r／rain的风扇所产生的噪音令人难以忍受。随着CPU核心尺寸的减小及芯片上元件的集成化，芯片将变成一个不均匀的热源。这町导致封装界面的传导系数R升到0．350c／w。以强迫风冷系统为主的微处理器散热技术最多约只能处理60％微处理器所产生的废热，当前的13哪的散热功率达到了风冷散热的极限。尽管如此，传统的冷却技术仍然是目前普通计算机芯片冷却所采用的主要方法。2新型液体冷却技术的应用液冷通用的方法是采用泵驱动冷却液(水)流过芯片背部的通道，水在通道内与芯片进行热交换。带走芯片上的热量。含有热量的水通过散热器把热量散失到外界环境中。液冷研究的发展经历i个阶段，包括槽道冷却、微槽道冷却、液体喷射冷却等。2．1槽道冷却液冷研究的第一阶段是用传统的制造工艺和材料制造，利用导热率优良的铜或铝为基底，利用电火花数控机床加工出凹槽，形成冷却水的通路。目前在传统加T的凹槽尺寸在毫米级尺度，导致散热器件体积大。2．2微槽道冷却在芯片冷却技术中，微槽道结构是一种广泛应用的强化换热结构，在20世纪80年代初就开始有相关的报道．该结构的冷却能力大大超过常规冷却手段所能达到的水平。微槽道的尺寸可以从数微米到数毫米，制作的材料有硅、铜、铝及其合金等，冷却介质除水外还有液氮、乙醇，硅油、氟利昂等液体。在电子芯片微型化和集成化的发展趋势下。宏观尺度上的槽道冷却已无法满足要求。液冷研究的第二阶段为芯片上通道微型化。在相同面积的芯片上，通道尺寸越小，通道的数量越多，所有通道的总面积越大。与液体单位时I’日】内热量交换越多。利用纵横垂直两个方向硅芯片作异向性蚀刻加工，加工出微米级尺度的通道。产生出高深宽比的微小通道，以及极为紧密的通道排列，来达到提商传热面积密度的要求。由于硅具有极佳的热传导系数，再加上单晶硅对一般流体，甚至是具有腐蚀性的流体，都有良好的抗腐蚀特性，非常适合作为热交换器的材料，当微小流道蚀刻完成后，再利用扩散接合技术将多片硅质流道成交互式堆栈接合。泵驱动冷却液流过芯片背部的微通道，水在微通道内与芯片进行热交换，带走芯片上的热量，含有热量的水通过冷却器把热量散失到外界环境中。2．3液体喷射冷却近年来，液体喷射冷却技术得到了广泛的关注，而且逐渐用到电子无器件的散热方面。喷射冲击冷却的特点是流体法向冲击传热表面．形成很薄的速度和温度边界层，因而是一种可提供很高传热率的有效手段，已被广泛应用于各种丁业过程中。喷射散热通常使用的是沸点较低的液体，如：液氮、无腐蚀性的氟利昂制冷剂等，利用喷射器将液体喷到元器件的表面。典型的射流冲击流场分布如图2所示。胁utin综合了Schrader、Glaser等人的研究