技术前瞻电子芯片散热技术的研究现状及
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摘要：随着芯片热流密度越来越大，传统的风冷已不能满足散热要求。概述了7种具有应用前景的芯片散热技术，介绍了各种散热技术的工作原理、优缺点、适用场合、研究现状及所存在的关键问题，最后对电子芯片散热技术进行了总结和展望。
关键词：电子芯片散热技术研究现状
随着电子芯片性能的提升和尺寸的微型化，芯片呈现出越来越高的热流密度。据预测，芯片的平均热流密度将达到W/cm2，局部热点热流密度将会超过W/cm2，而传统风冷散热已经达到极限(＜1W/cm2)。而芯片温度的控制至关重要，对于稳定持续工作的电子芯片，最高温度不能超过85℃，温度过高会导致芯片损坏，研究表明，在70～80℃内，单个电子元件的温度每升高10℃，系统可靠性降低50%。据统计，有超过55%的电子设备失效形式都是温度过高引起的。因此，为保证芯片工作的可靠性和稳定性，发展新型高效的散热技术成为迫切需求。
按照散热方式是否需要外加能量，将芯片散热方式分为主动式与被动式，主动式散热主要包括强制对流散热、蒸汽压缩制冷及热电制冷等，被动式散热主要包括自然对流散热、热管冷却和相变储热散热。主要介绍了几种具有应用前景的芯片散热技术，对其原理、优缺点、研究现状及所存在的关键问题作了简要概述，了解目前芯片散热技术的研究进展，分析未来电子芯片散热技术的发展趋势。
1主动式散热
1.1液体冷却
1.1.1微通道液体冷却
微通道一般是指水力直径为50～μm的通道，微通道换热的概念是由Tuckerman和Pease在20世纪80年代提出的，并利用水的单相换热实现了W/cm2的散热密度。据Michel等的推算，当芯片表面温度为85℃时，水在微通道中的单相换热热流密度为W/cm2。微通道高效紧凑的特点，使得微通道换热成为高热流密度电子芯片散热技术中最具发展潜力的技术之一。
液体工质在微通道中的换热形式主要包括单相与两相换热，单相换热冷却均匀性差，热应力较高;而两相换热不仅冷却效果均匀，热应力小，而且换热能力得到明显提高，在相同换热量下，两相流动的压降损失要小于单相流动。
目前，液体工质在微通道中的两相换热是研究热点，对于使用低压制冷剂的相变换热，散热能力可达W/cm2以上。目前，虽然研究者对微通道中的沸腾流动特性进行了大量研究，但由于实验工况、冷却工质、微通道结构及尺寸等方面的差异，对于一些基础性问题，如在流动不稳定性、主导传热机制、流型预测、传热及压降的预测方法、临界热流密度的影响因素等方面的问题，尚未形成一个统一的认识。微通道换热结构如图1所示。
图1微通道换热器结构
Fig.1Thestructureofamicrochannelheatexchanger
Thiangtham等研究了微通道中Ｒa的沸腾换热特性及流型的变化情况。微通道为27个平行矩形通道，水力直径为μm。研究结果表明，在低热流密度范围内，流型为泡状流和段塞流，传热机制为核态沸腾，换热系数随热流密度的增大而增大;在高热流密度范围内，流型为环状流，传热机制为对流沸腾，换热系数随质量流量增大而增大，在流量较低时，会发生干烧现象。在低入口干度范围内，换热系数受入口干度影响较小，而在高入口干度时，主要受到干烧影响，导致换热系数急剧下降。
Fayyadh等研究了微通道中Ｒa的流动沸腾换热特性。微通道为25个平行矩形通道，水力直径为μm。根据其研究结果，流型主要受到热流密度和质量流量的影响，依次会出现泡状流、段塞流和环状流。对于汽化成核，热流密度越大，气泡分离直径与生长频率越大，但很难确定质量流量对气泡成核的影响。经过对换热器换热特性的研究后，作者认为用传统的标准来推断主导传热机制存在困难。
为提高换热器散热能力，并降低压降损失，研究者设计了不同的流道结构，如波浪形的微通道、双层微通道结构、肋槽道微通道、缩放型微通道、带有多个分歧结构的微通道等。一些新型工质的出现也提高了换热器性能，如液态金属、超临界CO2工质、纳米流体等。
1.1.2液体喷雾冷却
液体喷雾冷却是利用喷嘴喷出的微小液滴，在热源表面形成一层冷却液薄膜，随着液膜的流动或冷却液蒸发带走热量，它可消除热源到冷却剂之间的热阻，且薄膜中夹带的空气可形成二次成核，可极大提高换热系数，已经证明，喷雾冷却的相变换热热流密度可达到W/cm2以上，Lin等分别利用碳氟化合物、甲醇、水为工质的相变换热，实现的最大热流密度分别为90W/cm2、W/cm2、W/cm2(以上)，其工作原理如图2所示。液体喷雾冷却也具有冷却液流量小、温度分布均匀、过热度低等特点，使之成为高热流密度电子芯片散热技术中最具潜力的散热技术之一。然而，液体喷雾冷却喷嘴易堵塞，换热机理较复杂，仍有很多问题没有解决，包括系统的紧凑化、换热强化等方面，且喷嘴压力通常在2个大气压以上，用于芯片散热会引起可靠性问题。
图2液体喷雾冷却原理图
Fig.2Theschematicdiagramofliquidspraycooling
液体喷雾冷却系统形式通常为泵驱动循环，而采用泵驱动循环通常存在以下缺点：①喷雾室中为保持低压，通常需要附加真空泵或者蒸发器结构；②系统需要附加调整冷却剂温度的制冷系统，增加了系统复杂性；③在喷雾室中附加蒸发器的系统中，喷雾室内压力难以控制。因此，很多学者提出了蒸气压缩喷雾冷却系统，即利用压缩机替代了常规喷雾冷却的泵，喷嘴和喷雾室分别充当膨胀阀和蒸发器的角色。Hou等分别采用Ｒ22和Ｒa制冷剂，基于蒸气压缩系统，最大散热能力分别达到.1W/cm2和.2W/cm2，芯片表面温度分别维持在26.8℃和46℃。Xu等基于蒸汽压缩系统，采用Ｒa为制冷剂，在W/m2的热流密度下，芯片表面温度可稳定在57.3℃。Oliveira等设计的蒸气压缩喷雾系统，采用Ｒa工质，散热密度可达W/cm2，芯片温度可维持在85℃以下。对于蒸气压缩喷雾冷却系统来说，润滑油对喷雾冷却的换热效率影响以及系统的微型化有待进一步研究。
1.1.3液体喷射冷却
喷射冷却通过高速射流，在热源表面形成很薄的边界层进行换热，可在局部产生极强的对流换热效果，常用的工质包括液氮、水、FC-72及FC-40等，已经证明，在芯片表面温度为85℃，流量不大于2.5L/min，压降低于36.05kPa的条件下，液体喷射散热能力可达到W/cm2以上。因此，喷射冷却是大功率电子设备散热技术中最具发展前景的技术之一，尤其是局部高热流密度的电子元器件(如集成式芯片)，可有效消除局部热点。
液体喷射冷却也存在一些问题。对于单相换热来说，在冷却液流向出口的过程中，边界层会被加厚，换热系数会明显下降；单个喷嘴结构的冷却不均匀，通常需要设计多个喷嘴，而多个喷嘴喷射的流体又存在着相互作用，使得换热较为复杂;考虑到电子设备可靠性，喷射压力也不能太大。液体喷射原理如图3所示。
图3液体喷射冷却原理图
Fig.3Theschematicdiagramofliquidjetcooling
随着芯片热流密度的增加，液体喷射两相换热及其强化成为研究热点。为强化换热，研究者设计了很多种表面结构，如树枝状结构、激光钻孔结构、翅片结构、沟槽结构、凹腔结构、多孔结构、微凹腔等。Zhang等利用FC-72的相变换热研究了喷射冷却在微针肋面的冷却效果，结果证明，相对于光滑表面，微针肋面可增大换热系数，减少芯片表面温度，并能增大临界热流密度。液体喷射冷却也可用于蒸气压缩系统中，Oliveira等设计了新型的蒸气压缩喷射冷却装置，研究了加热功率、喷嘴直径、喷射距离、储液罐温度及压缩机冲程对系统性能的影响，作者也指出更多的研究应集中于:①多个喷嘴阵列对冷却均匀性的分析;②不同类型的微表面结构设计来加强换热;③换热机理的深层研究。
1.2微型蒸气压缩制冷
美国的Natick单兵中心、Aspen公司、Foster-Miller公司等从20世纪90年代初就开始对微型蒸汽压缩式制冷系统进行研究，BIM公司的S/G4server首次利用蒸气压缩制冷，维持芯片温度在15～35℃，实现了～W的制冷量，系统制冷效率COP为2～3。蒸汽压缩制冷是一种可在较高环境温度中工作的冷却方式，可使芯片保持在很低的温度，可靠性高，制冷效率(COP)一般可达3.0以上，是其他制冷方式的3倍以上，是电子芯片主动式散热技术中效率最高的方式。然而，蒸气压缩制冷可能会占用较大的散热空间，压缩机等运动部件的存在也使得系统的运行存在稳定性问题，系统微型化也带来了结构复杂性及成本问题。基于静电驱动的微型压缩制冷系统图4所示。
图4基于静电驱动的微型压缩制冷系统
Fig.4Micro
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