CPU散热技术发展趋势论文非原创,看点制冷芯片

1、电子散热关系到电子设备的可靠性和寿命 ,是影响当今电子工业发展的一个 瓶颈 .伴随着电子产业高性能、微型化、集成化的三大发展趋势,散热问题越来越突出 . 尤其是对于热负荷敏感度较高的 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。目前，高频的 Pentium4 E 已突破 100 W 功耗大关 ,Smith2field 核心 Pentium D双核处理器的功耗更是攀至 130 W.根据 Intel的首席技术官 Patrick Gelsin

2、ger的预测 ,如果芯片中的晶体管数量以现在的速率一直增长下去,到2015 年就要和太阳表面一样热 ,这当然是不可想象的 .因此 ,为了使 CPU 发 挥最佳性能并保证其可靠性 ,研究实用高效的芯片冷却方法也就成为了日益 重要和紧迫的问题 . 本文将对 CPU 散热技术的最新研究进展进行综述。1CPU 散热方式及存在问题 根据电子学理论 ,过热所导致的“电子迁移”现象是损坏 CPU 内部的芯片 主要原因 .“电子迁移”是指电子流动所导致的金属原子迁移的现象 .在芯片 内部电流强度很高的金属导线上 ,电子的流动给金属原子一个动量 ,一旦与 金属原子碰撞 ,使得金属原子脱离金属表面四处流动 ,结果

3、就导致金属表面 上形成坑洞或土丘 . 这是一个不可逆转的永久性伤害 ,如果一直持续这个慢 性过程 ,到最后就会造成核心内部电路的短路或断路 ,彻底损坏 CPU.“电子 迁移”现象受许多因素影响 ,其中温度因素起了决定性的作用 .温度的升高会 使自由电子的动能大大增加 ,对金属原子的碰撞也更强烈 . 同时 ,随着温度的 增加 ,金属原子本身的热运动也增强 ,电子迁移现象就越容易发生 . 这就是为 什么要把 CPU 的温度维持在 50 以下的原因 .（1）风冷法 .在 CPU 上安装散热片以扩大散热面积 , 并在散热片上安装一个小风扇 ,让 空气强迫对流带走热量 .这种散热方式的优点是简单实用 ,

4、且价格低廉 .但其缺 点在于: 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）水冷法 . 它是用密封性良好的水槽 一般用铝或铝合金制成 贴在 CPU 表面 ,然后通 以水循环系统 ,将 CPU 发出的热量带走 . 这种方法的散热效率比风冷散热 高,但它需要较复杂的水冷却系统 ,并且使用不便 ,安装麻烦 ,而且还有漏水和结露的隐患 .（3）半导体致冷片法 . 它是基于帕尔贴效应而实现的 ,通常采用陶瓷封装的半导体串联方式 .其工

5、作 原理实际上是热量转移 ,当接通直流电时 ,半导体的冷面温度迅速降低 ,甚至 可降至 - 10 ,而另一面的温度则迅速上升 ,从而达到降低表面温度的作用 . 半导体致冷的优点是无需任何制冷剂 ,寿命长 ,安装简单 ,可通过控制电流实 现高精度的温度控制 .它同样也存在缺点 : 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

6、片技术 .2 新型 CPU 散热技术热管散热技术 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

7、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200 W/cm 2.道称 ,利用 IC 工艺制成的多根微型热管阵列

8、 ,其冷却功率可达由 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

9、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 .微通道散热技术 微通道热沉的概念最早由 Tuckerman 和 Peace于 1981 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

10、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 Cooligy 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 Micro ChannelCo

11、oling , 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 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

12、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

13、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 .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

14、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 1 10 m才可能发生热离子换能效应 见 图 5 左 ,而当时的半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

15、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 薄膜回到冷端 . 要想保持冷热端的巨大温

16、差 T , 大约需要 100 万层 这样的 Al O 薄膜 ,显然这是不可行的 .而 Borealis 公司采用的绝热材料则是 “真空” ,因为实际上 ,最好的绝热材料就是真空本身 ,其绝热性能要比任何固 体都强得多 ,又不阻碍隧穿电子穿越势垒 .于是制冷芯片就采取了真空二极管的 形式 ,由于真空卓越的绝热性 ,使得热量传递到热端后很难能再回到冷端 ,从而 很好地解决了热量回流的问题 ,因此 ,从理论上来讲热离子换能的效率较高 ,其 期望的卡诺效率为 55 %,大大超过热电的 5 %8 %,也高于压缩制冷的卡诺效率 45 % .另外一个严峻的问题就是 ,要想在两块电极板之间形成 110 nm

17、的间距 不是一件容易的事情 ,即使可以通过微加工工艺制作出来 ,如何保持如此细微的 缝隙也是件很令人头疼的问题 . Cool Ship 解决方案的灵感是从扫描隧道显微镜 STM 上得来的 .在 STM 上常常通过控制压电材料来调节针尖的位置 .这种压电 材料是用单晶石英结构的材料制成的 ,当加上电压时 ,它就可以极其快速且精确 地改变其形状 .这样 ,STM 就能够以持续的电压保持针尖接近试样表面的状态 . 于是 ,Borealis 公司利用压电材料来控制电极板之间的间距 ,通过电压来控制压 电位置调节器上下移动 ,再通过电容传感器反馈出当前的电压 ,最终将电极板间 的间距保持在 110 nm

18、 的范围内 见图 6 .根据 Borealis 公司主页上提供的 Cool Chip 的信息可知 ,制冷芯片在室温下的 理论散热通量为 5kW/cm2 ,加之其体积小、轻便、有效且成本低廉 ,所以应用范 围十分广泛 .此外 ,它可以实现薄膜式的固体冷却 ,从而能很好地避免芯片上的 局部热点 .制冷芯片还能够相互串联组成阵列的形式,具有可组合性 ,可以适合任何形状外表的散热 ,并提供更强大的制冷能力 . 理论上 ,1 in2 cm2 大小的 CoolChip 装置已经足够供一台冰箱使用 ,2 in2 大小的 Cool Chip 等同于一台为 起居室散热的空调 ,而 5 in2 大小的产品就能够为

19、整间房子制冷了,因此 ,PC制冷只是 Cool Chip 显示自己略显身手的地方 . 但是要注意将热端的热量及时 散发出去 ,需要额外使用被动散热 ,否则就会导致热端温度过高而烧坏制冷元件 . 由于 Cool Chip 的冷却性能优于目前几乎所有的散热技术,其应用前景是很乐观的 ,很可能在许多应用取代现有的各种制冷方式,如广泛地应用到飞机、 导弹、火箭引擎、卫星等高科技领域 . 伴随着 Cool Chip 加工技术的不断成熟 ,不久的 将来可以通过工业手段大批量生产 ,并有可能在未来 20 年内处于领先地位 . 3 外部散热问题以上大都是针对将芯片内部热量传至表面的办法,尽管这些冷却方法的散热性能十分突出 ,但仍然需要合适的外部散热装置,否则就会引起热量回流和冷却器过热的问题, 这就依赖