CPU散热器冷却技术的研究动态

1、CPU散热器冷却技术的研究动态 摘要: 随着计算机工业的迅猛发展, CU P 的运行速度越来越快, 发热量也越来越高, CPU 散热器发展迅速。为对 CPU 散热器具有更多的认识, 本文阐述了 CPU 的发展历程以及 CPU 散热器的发展背景, 叙述了 CPU 散热器的散热方式、现状和未来发展趋势。一CPU散热器的应用背景及研究意义 伴随着 CPU 性能的不断提高, 其发热量较以前有了大幅度的提高。那么, CPU 的冷却问题就越来越突出, 据有关资料显示, 对于包括 CPU 在内的电子设备, 现在的失效问题的 50% 都是由于过热引起的 2 。早期的 CPU 芯片功率不足 10W, 不需要用散

2、热器, 上个世纪 90年代中期以后, 随着CPU 主频和集成度大幅度提高, CPU 的功率和发热量明显提高, 到 2004年 Inte l公司推出的 P entium 4 主频为 3. 6GH z的 CPU 功率更是达到 115W。如此大的功率严重威胁到CPU 的工作和发展, 而 CPU 必须借助散热器才能工作, 虽然In tel在 2006下半年推出酷睿双核心将功耗降低近一半, 每个核心的功耗只有 30W 至 35W, 与上一代英特尔台式机处理器产品相比, 英特尔酷睿 2台式机处理器在提供 1. 4倍的CPU 计算性能同时, 能耗降低了 40% , 但是对于现在一些四核的 CPU 来说, 功

3、率仍然很高。为适应 CPU 发展过程中功耗的不断变化, CPU 散热器也有了长足的发展。从近期 CPU 的发展来看, Prescott核心 CPU 的频率还会不断提升, 其发热量更让人担心, 目前全铜、高密度鳍片以及采用热管技术发展趋势虽然还能够 应付 一时, 但显然还不能适应更高的发热量, 如果这种态势继续下去, 未来散热器的发展趋势是什么? 市场追求的是高性价比, 产品主要还是以风冷散热器为主, 水冷散热器随着价格的不断下调, 将占有越来越大的市场份额, 随着热管散热器的工艺成熟和成本控制, 它将是未来发展的热门。另外, 新材料的研发可能导致散热器的变革: 用具有极大散热面积的泡沫金属做肋

4、片将大大增强散热效果, 相信不久的将来在市场上可以看到; 随着导热率高而且密度小材料的出现, 如人造金刚石、石墨、碳纳米管复合材料等用其作散热片, CPU 散热器将极大的增强散热效果。可以肯定的说, 制作质量轻、体积小、噪音小、散热效果好的 CPU 散热器将是业界继续追求的焦点。过去的三十年见证了现代电子工业的个人电脑及其服务器的日新月异。同时，由于增加的热流体的散热问题严重阻碍了超级高性能的CPU的发展。目前，传统的冷却技术，如风冷，水冷和热管依然在散热领域扮演着主要的角色。这主要归因于这些技术，结构简单，冷却效率高以及低成本。除此之外，一系列的新的和更高级的冷却技术正在涌现，比如说，微通道

5、，离子风，压电式翅片，磁性极化纳米流体，以及微包裹体相变流体等。这些令人欣喜的策略具有独一无二的优势以及一些甚至能够处理极端高热流体的条件。然而，对于大部分散热的方式来说，一些技术问题，比如复杂的制造工艺，高成本，以及可靠性问题，离大规模的商业使用依然有很大的提升空间。在许多的新创意中，液态金属冷却技术迅速成为了近年来最吸引人的散热技术。它最典型的优势在于，液态金属的高的热物性以及它独一无二的电磁驱动特性。目前，基于金属镓的合金被认为是最好的可用于该技术最好的材料。该合金的有低的熔点（10），高的导热率，无毒，高的沸点，因此有了优秀的冷却能力和高的可靠性。二CPU散热冷却方法分类及存在问题 散

6、热分为被动与主动两种, 被动散热是通过散热片将CPU 产生的热量自然散发到空气中, 其散热的效果与散热片的面积成正比, 这种散热方式简单且安全可靠, 但散热效果不理想, 难于适用当前 CPU 散热的需要; 主动式散热是利 用风扇或泵体等设备将散热片上的热量以强制对流的方式 带走, 这种散热方式散热效率高, 是目前 CPU 散热的主要方式。 现今我们所了解的散热方式有如下几种：风冷、水冷 （液冷）、半导体制冷、相变制冷（相变系统制冷、干冰+乙醇制冷(固态二氧化碳)和液态氮气制冷(LN2)）。2. 1风冷散热目前, CPU 散热器市场份额占有率最大的是风冷散热 器, 其散热原理即通过与发热物体紧密

7、接触的金属散热片, 将发热物体产生的热量传导至具有更大热容量与散热面积 的散热肋片上, 再利用风扇的导流作用令冷空气快速通过 散热肋片表面, 加快散热肋片与空气之间的热交换, 即强制 对流散热。风冷属于主动散热方式, 而与之相对的就是被 动散热, 最直观的区别就是散热器上是否存在风扇。与其 他散热形式相比, 风冷散热器有着自己不可替代的重要性, 而且拆装非常方便, 但对环境依赖比较高, 例如气温升高以 及超频时其散热性能就会大受影响。 风冷是最常见的散热方法，就是用一块导热性能比较好的散热片（一般是铝或铜）通过特殊的介质（通常是导热硅脂）紧贴住发热量很大的芯片，然后再在散热片上固定一个风扇，不

8、停地产生强劲的风力，把散热片上的热量带走，从而达到对芯片散热的目的。 Dell计算机专用的散热风斗。 风冷存在问题：不用多说，以成熟的型材切割及抛光技术、低廉的价格现在正被大家广泛的应用到PC内部的各个角落。但由于风扇的转速、风量、散热片材料等诸多原因，目前风冷散热设备的散热效果与噪音的平衡点问题一直是众超频玩家口中的诟病。冷却效率低 ,最多只能排出 CPU 废热的 60 %,因此仅依靠传导和对流的风冷法散热器已经接近了其导热极限; 随着风扇的功率和转速的增大,产生的噪声也随之增大; 由于风扇是运动部件 ,比较容易损坏.2. 2 液冷散热 水冷散热也是使用散热片对芯片散热，与风冷不同的是，它是

9、将水管固定在散热片上，当芯片发出的热量传到散热片上后，通过水管中反复循环的水流将热量带走。其散热效果较风冷散热有明显优势液冷散热器市场占有率也在不断提高, 除了在散热效能上较风冷散热器强一些外, 还有一个比较突出的优点, 那 就是静音, 液冷在散热过程中表现稳定, 影响它广泛使用的 主要原因是价格比风冷散热器要高出许多, 除此之外, 液冷 散热器普通存在一个缺点, 就是容易漏液。从理论上讲, 不 管是风冷还是液冷, 热量散发的最后途径都是发散到空气 当中, 只是其中的导热介质有部分不同。因此液冷与风冷 散热器并无本质区别, 都无法将被散热对象的温度降低到 低于环境温度的程度。液冷存在问题：由于

10、不停地将散热片上的热量带走，水温会逐渐升高，散热的效果会越来越差；其次就是漏水问题，一旦漏水，后果将不堪设想。 虽然水冷散热具有功率消耗较小、工作噪声很小、可以利用多种方式完成散热过程的优势，但是其安装过程对大多数用户而言过于复杂，这是影响它普及的一个主要因素在使用水冷方式散热时，一定要注意水气凝结现象。水气凝结现象是由于空气中的水分遇冷后聚集起来，最后变成水珠。在常温下的水冷系统中，是不会出现水气凝结现象的，但如果使用冰水或搭配致冷器使用，水气凝结就可能发生，这将造成死机或硬件损坏，所以是不能忽视的。但只要我们做好相应的措施，水气凝结就可以避免发生。它需要较复杂的水冷却系统,并且使用不便,安

11、装麻烦,而且还有漏水和结露的隐患.2.3 热管散热热管制冷运用了热力学的一条基本原理：当有温差存在时，热量必然会从高温物体传到低温物体，或从物体的高温部分传至低温部分。热管是将一真空金属管置于散热片中，内置一吸热芯及沸点很低的液体。工作时，由于温度升高，一端的液体吸热汽化，飞速到达管子的另一端，而后因这一端温度较低，从而放热液化，并流回去。这样通过液体在两态之间的变化及在管子两端之间的流动，有效地散去了从芯片吸收的热量，达到了较好的散热效果。热管散热存在问题: 如大幅增加散 热器表面积, 增加了散热器的体积; 采用导热率更高的铜鳍 片代替铝鳍片, 增加了散热器的质量。这些都制约了风冷 散热器的

12、发展为了能进一步降低散热器的热阻值提高热传导率, 将 工业中广泛使用的热管应用于台式机 CPU 散热器上。热管 是一种高效率利用相变传热的热传导器, 其热阻可以达到 每瓦千分之一摄氏度, 传热量可以超过 50千瓦 3 。 1984 年在第五届国际热管会议上, T. P. Co t te r等人提出微型热 管和小型热管 ( MHP )的理论及展望, 从而引起了热管在电 子元器件散热方面的广泛应用。热管只是导热装置, 其本 身并不具备散热的作用, 它只能用很快的速度将热量从一 端传至另一端, 而最终的散热还必须依靠金属材质的底座 与鳍片。在底座与鳍片的材质也就只有这两种。这取决于铝与铜特性以及其他

13、一些因素, 如热传导系数, 加工延展 性, 甚至资源的取用便利情况等。热管的应用只能算是传 统风冷散热的一种改进或加强。2. 4半导体制冷半导体制冷片的工作原理是 P e ltier 效应: 当一块 N 型 半导体材料和一块 P 型半导体材料联结成电偶对时, 在这 个电路中接通直流电流后, 就能产生能量的转移, 电流由 N 型元件流向 P型元件的接头吸收热量, 成为冷端, 由 P 型元 件流向 N 型元件的接头释放热量, 成为热端。吸热和放热 的大小是通过电流的大小以及半导体材料 N、P 的元件对数 来决定。该方法很早就已经出现, 但始终没有得到推广, 近 年来在极其缓慢的增加。虽然半导体制冷

14、的效能非常强 劲, 工作时冷端最低温度可以达到零下, 但由于同时在热端 会产生巨大的热量, 极易损坏, 而且耗电量惊人。有厂商曾 小批量的推出过采用半导体散热器的显卡, 但由于返修率 高的问题都没有大量出货。半导体制冷存在问题：制冷效率低; 工艺不成熟、价格高; 容易因冷面温度过低而出现的 CPU 结露 ,从而导致短路的现象.因此 ,随着芯片尺寸的不断减小、CPU 频率的升高和散热量的迅速增加 ,需要新型的 CPU 散热器来替代原有的散热技术. 以下主要介绍 3 种新型CPU 散热技术:热管散热技术、微通道散热技术和制冷芯片技术.三风冷却水冷却半导体冷却制法(1) 空气冷却也称自然冷却，一般是

15、将电子元器件的发热核心部位与型材散热器相接触，通过空气的自然对流方式将热传导出来。其优点是结构简单、安装方便、成本低廉。缺点是散热功率低。(2)风冷散热这是目前最普遍的散热方式，一般是将电力电子元器件的发热核心部位与散热器相接触将热传导出来，然后再通过风扇转动，来加强空气的流动，通过强制对流的方式将散热片上的热传至周围的环境。优点：结构简单，价格低廉，安全可靠，技术成熟。缺点：降温的效果有限，不能达到令人满意的程度，并且具有噪音，风扇的使用寿命也有限制。(3) 水冷散热其原理是利用水泵驱动水流经过热源，进行吸热传递。优点：水冷散热效率高，热传导率为传统风冷方式的20倍以上，可以解决几百至数千瓦

16、的散热问题，是风冷效果所不能比拟的。因为即使是散热效率最高的涡轮风扇风冷散热，其温度比水冷散热也要高大约10；相比于风冷散热，水冷散热因为没有风扇，所以不会产生振动现象，也无风冷散热的高噪音。缺点：需要良好的通风环境，并且体积大，安装和维护不方便，容易滴漏、安全性不高，价格一般也相对较高。 四新型CPU散热技术的提出 4.1 热管散热技术热管是一种具有极高导热性能的新型传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，它利用毛吸作用等流体原理，起到良好的制冷效果。具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、温度可控制等特点。将热管散热器的基板与晶闸管

17、、igbt、igct等大功率电力电子器件的管芯紧密接触，可直接将管芯的热量快速导出。通过对上述几种散热方式的分析，我们不难看出，热管散热相对于其他几种传统散热方式存在以下的优势： 热管散热技术具有散热效果好，热阻相对小，使用寿命长，传热快的优点。热管的热导系数是普通金属的100倍以上； 传热方向可逆，不管任何一端都能成为蒸发端和冷凝端； 优良的热响应性。热管内汽化的蒸汽能以接近音速的速度传输，从而有效的提高了导热效果； 结构简单紧凑，重量轻，体积小，维护方便； 无功耗、无噪音、符合工业“绿色”的要求； 可以在无重力场的环境下使用。综上所述：热管传热利用热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过

18、热管将发热物体的热量迅速传递到热源以外。采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，甚至不需风机，完全采用自冷方式，同样可以得到满意的散热效果，使得困扰风冷散热的噪音问题以及大功率电力模块散热问题得到良好解决，随着热管加工工艺的不断改善，其可靠性、安全性、耐用性将会更加提高，而成本和价格也会进一步降低。热管散热器将有着传统散热器所无法比拟的优势，它的出现开辟了散热行业的新天地。2 热管的基本工作原理2.1 工作原理物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递有三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端

19、温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体（即工质），这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发段（简称热端），另外一端为冷凝段（简称冷端），当热管蒸发段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。2.2 组成与工作过程典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3(10-110-4)pa的负压后充以适量的工作

20、液体（即工质），使紧贴管内壁毛细多孔材料中的吸液芯充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端，放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：(1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液汽）分界面；(2)液体在蒸发段内的（液汽）分界面上蒸发；(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；(4)蒸汽在冷凝段内的（汽液）分界面上凝结；

21、(5)热量从（汽液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。2.3 工作条件图1表示了热管管内汽-液交界面形状，蒸气质量、流量、压力以及管壁温度tw和管内蒸气温度tv沿管长的变化趋势。沿整个热管长度，汽-液交界处的汽相与液相之间的静压差都与该处的局部毛细压差相平衡。近年来, 热管技术已在电器设备及电子元器件冷却、半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面取得很多应用成果。其中最具发展潜力的有: 小型及微型热管, 回路热管及毛细泵回路热管, 脉动热管等。常规热管的尺寸范围小至几个厘米长及几个毫米的直径, 大至10 m 长及几个厘米直径。常规

22、热管存在一些传热极限, 如毛细极限、沸腾极限等。毛细泵回路热管及回路热管可以克服常规热管的一些极限 17-18 , 类似与常规热管, 回路热管主要依靠毛细作用力来驱动工质在回路中的流动。因而在地面和微重力场应用时, 具有更好的热力性能和稳定性。当前的研究热点是研制小型化的回路热管, 以满足集成电子元器件高散热负荷及高热流密度的需要。各种小型及微型热管已广泛应用于电子冷却 19-21 。如用于手提电脑CPU 冷却的小型热管,多为直径2. 5 4 mm 的铜水热管。微型热管没有吸液芯。其横截面通常为三角形、矩形及其它多边形等, 这些形状的截面多有锐角或尖角, 具有毛细作用, 能吸附液体, 并起到液

23、体的天然通道作用。脉动热管是20 世纪90 年代初出现的1 种新型热管技术 22-24 。他是把金属毛细管弯曲成蛇形结构, 内部无需任何毛细吸液芯。具有结构简单, 制造容易, 成本低廉及性能卓越的优点。现已成功应用在电力设备及微电子的冷却, 并将在航天航空领域展示其广阔的应用前景。热管是以相变来强化换热的技术 ,它利用封闭在真空管内的工作物质 ,反复进行沸腾或凝结来传送热量.典型的热管依次可划分为蒸发段、绝热段和冷凝段三部分 见图 1 . 管内装入的液体称为工作液 ,是热量传递的介质.首先 ,蒸发段的工作液从外部吸收热量后沸腾成为气相 ,在气压差的驱使力作用下进入冷凝段 ,遇到较冷的管壁便凝结

24、为液体并释放热量;接着 ,通过热管中心处设置的吸液芯 ,利用它与工作液的表面张力所产生的毛吸力再将工作液送回到蒸发段.反复进行上述过程 ,从而不断将蒸发段的热量传送到冷凝段 ,再通过散热片传递出去.由于热管是通过相变潜热来传递热量 ,其导热性能很高 ,甚至是相同尺寸铜管的几十倍以上 ,因此适合在狭小空间中高热量的排放 ,在笔记本电脑中已经得到应用.Cotter 首先提出微型热管 见图 2 的概念.该文提出在芯片上埋入微细热管 ,平均管路直径为10500 m ,长为数毫米至数厘米之间. 此热管不需要毛细结构 ,断面成多角形状 ,通过内腔尖角区作为液态工质回流的通道 ,以及通过尖角区产生的轴向毛细

25、压差将液态工质从冷凝段压回蒸发段 ,从而完成工质的循环.由于微热管还兼具微槽道冷却的优点 ,因而在小空间下的强化换热中很有前景.有报道称 ,利用 IC工艺制成的多根微型热管阵列 ,其冷却功率可达 200 W/cm 2.由 Maidanik 所发明回路热管是另一种形式的热管.由于它能在小温差、长距离的情况下传递大量热量 ,故在航天航空方面应用比较广泛 ,在电脑和电子器件应用中也有着非常广阔的前景.自 2001 年的首次实验以来 ,涌现了许多 50 g 左右的 LHP 散热器 ,这些散热器的热通量大致在 2530 W.人们也在测试一种新型的6 mm直径LHP散热器 ,其最大散热通量为 70 W 左

26、右 .但由于LHP 主要是近20 年内发展起来的新技术 ,在理论和应用方面还需要进一步的深入研究.综上所述 ,热管的优势在于其优良的导热性和等温性,热响应速度快 ,质量轻且结构简单.此外由于热管没有运动部件 ,运行可靠、耐用 ,并且能在失重状态下工作 ,传热距离长且没有方向的限制. 当然 ,传统热管在设计上同样也存在毛细管、飞散、沸腾、音速和黏性上的限制 ,当尺寸变小时 ,表面张力与相变化对小尺寸效应的综合考虑 ,以及用多边形通道结构的设计来取代目前普遍采用的三角形流道 ,都是热管设计分析的重要课题.4.2 微通道散热技术微通道热沉的概念最早由 Tuckerman 和 Peace于 1981

27、年提出的 ,它是由具有高导热系数的材料构成.根据 Riddle 等 的研究:流量一定时 ,矩形通道中流体总的热传导系数与通道水力直径成反比 .随着通道直径的减小 ,换热系数相应增加 ,同时系统的散热面积与体积比也显著增加. 因此尽管体积不断减小 ,散热能力反而得到极大的提高.从图3 中可看出 ,两种具有相同长度和高度的微通道集热器 ,当微管道宽度为 10 m 时 ,CPU 温度为 65,而当宽度为100m 时 ,CPU 温度则高达85 ,显然宽度越小对散热越有利 ,因此 ,尺寸因素对微通道散热器的影响是至关重要的 ,而这又直接影响了CPU 的运行性能.在微通道散热器领域 ,比较成熟的应属美国C

28、ooligy 公司推出的产品.其生产的水冷式芯片 ,采用了主动微通道冷却技术 Active MicroChannelCooling , AMCC .这项新技术中包含 3 个主要部分:微管道集热器 ,用于传送具备吸热功能的液体;散热器 ,用于将热量传导散发至空气中;一台电力动能泵 ,用于推动液体流过微管道集热器.相对于传统的水冷 ,AMCC 的技术核心在于两点:一是微通道集热器 ,一是无噪声电动力泵.微通道集热器相当于水冷头 ,通过高导热介质贴覆在核芯表面 ,甚至直接与 CPU 一体化制造.其与核芯接触部分的内表面通过DRIE或LIGA 工艺刻出无数平行 宽度约为 20100m 的微沟槽 ,再经

29、键合封装形成封闭的循环通路 ,而液态工作介质则沿着这条通路往复流动.因为集热器的散热面积 比传统水冷头增加了数百倍 和热传导系数都很大 ,使得核心温度与液体介质的温度几乎持平. 电动力泵 见图 4 是一种利用静电引力原理设计的液体泵.该散热器采用的液体输热介质是混有少量特殊物质的水 ,该介质在通过电动力泵内设置的多孔材料时会因在接触面产生电双层现象而附上静电 ,在泵两端产生的静电力场的作用下 ,液体可以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.因为 Cooligy的产品采用了电力动能泵和微

30、通道散热器 ,因而拥有许多杰出的性能 ,诸如散热性能优越 据其官方网页的数据 ,散热通量甚至可达1000 W/cm2 ,体积小重量轻 ,无噪声 ,性能稳定 ,可靠性高 ,寿命长 ,与芯片的集成性好 ,成本低等. 然而 ,减小微通道的宽度不仅可以增加散热能力 ,同时也会引起压力降升高 ,增加微通道的压力负载及泵的功率.此外 ,微通道的堵塞问题、低雷诺数下微流体的流动问题都是极需深入探讨的.随着微通道散热器本身的技术进一步完善 ,这种产品将有更大的发展潜力和市场需求.类型微通道换热器按外形尺寸可分为微型微通道换热器和大尺度微通道换热器。微型微通道换热器是为了满足电子工业发展的需要而设计的一类结构紧

31、凑、轻巧、高效的换热器,其结构形式有平板错流式微型换热器、烧结网式多孔微型换热器。大尺度微通道换热器主要应用于传统的工业制冷、余热利用、汽车空调、家用空调、热泵热水器等。其结构形式有平行流管式散热器和三维错流式散热器。由于外型尺寸较大(达1.2m4m25.4mm13),微通道水力学直径在?0.61mm以下,故称为大尺度微通道换热器。材料微型微通道换热器可选用的材料有:聚甲基丙烯酸甲酯、镍、铜、不锈钢、陶瓷、硅、Si3N4和铝等。采用镍材料的微通道换热器,单位体积的传热性能比相应聚合体材料的换热器高5倍多,单位质量的传热性能也提高了50%。采用铜材料,可将金属板材加工成小而光滑的流体通道,且可精

32、确控制翅片尺寸和平板厚度,达到几十微米级,经钎焊形成平板错流式结构,传热系数可达45MW/(m3K),是传统紧凑式换热器的20倍。采用硅、Si3N4等材料可制造结构更为复杂的多层结构,通过各向异性的蚀刻过程可完成加工新型换热器,使用夹层和堆砌技术可制造出各种结构和尺寸,如通道为角锥结构的换热器。大尺度微通道换热器形成微通道规模化的生产技术主要是受挤压技术,受压力加工技术所限,可选用的材料也极为有限,主要为铝及铝合金加工方式随着微加工技术的提高,目前可以加工出流道深度范围为几微米至几百微米的高效微型换热器。此类微加工技术包括:平板印刷术、化学刻蚀技术、光刻电铸注塑技术(LIGA)、钻石切削技术、

33、线切割及离子束加工技术等。烧结网式多孔微型换热器采用粉末冶金方式制作。大尺度下微通道的加工与微尺度下微通道的加工方式显著不同,前者需要更高效的加工制造技术。2.3 制冷芯片制冷芯片是由 Borealis 公司开发出的产品 ,它是基于热离子换能效应而实现的. 热离子换能效应早在 1900 年即被发现,即当两种不同的导体接触时 ,一种导体作为冷端释放电子 ,另一种导体作为热端接受电子.这样 ,通过高低能电子的交换从而实现热能的传递.然而该项技术并未在 20 世纪 70 年代立刻得到实现 ,其原因有如下: 器件只有在两个板间的距离极小时 110 m才可能发生热离子换能效应 见图 5 左 ,而当时的半

34、导体微加工工艺尚无法满足这一要求; 即便材料能发生电子发射 ,所要求的势垒也很高,只有当热端达到 2 000 时才可能发生 ,而许多金属在达到这一温度之前早已溶化,并且极高的工作温度对系统的耗能量要求巨大 ,不可能有实用的价值.而制冷芯片在传统热电离子发射的基础上 ,采用了量子力学隧穿效应的理论 ,即将两块电极板的间距控制在纳米量级 110nm ,从而有效降低需要克服的势垒 ,在常温下实现两个大表面之间的电子隧穿 见图 5 右 ,加之近年来微加工工艺的极大进步,人们就能很好地解决上述的两个难题.尽管热隧穿具有很多优势 ,但在实际运用中却有着相当多的困难. Huffman 在 1965 年曾经用铝作为两块电极板 ,中间用 2 nm 厚的 Al O 作为绝热材料.但这个设想存在一个很致命的问题:当温差增大时,这层纳米级厚度而面积很大的 Al O 薄膜的热导率同样也在增大 ,因此 ,在通过热隧穿传递热量的同时 ,热量又通过 Al O