电子芯片散热技术及其发展研究

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摘要：随着电子芯片的集成化和微型化发展，对电子芯片的功能进行进一步升级和强化势在必行，由于现阶段大多数电子芯片的功耗持续提升并在工作中产生了大量热量，从而影响到正常工作，所以对芯片的散热技术进行深入研究非常必要。鉴于此，本文从主动式散热和被动式散热两个层面出发进行分析研究，以期探究更加行之有效 的散热技术应用措施

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关键词：电子芯片；散热技术；发展

基于现阶段电子芯片的综合性能越来越高、整体尺寸越来越小的发展情况，电子芯片工作过程中所呈现出的热流密度同样大幅提升，传统的风冷散热已经 很难满足当下电子芯片的散热需求，因此，对芯片散热技术进行优化研究，并对当下的散热方式加以创新调整对于保障电子芯片的稳定运行至关重要。由此可见，在新的发展时期，推动新型高效的电子芯片散热技术研究发展迫在眉睫。

1 主动式散热

1.1 液体冷却

1.1.1 微通道液体冷却

从现阶段的研究热点角度进行分析，当下，部分研究人员虽然对微通道当中的实际沸腾、流动特性开展了大量的科学研究，但是基于具体的工作情况和散热冷却公式，以及微通道的结构尺寸等差异性要素影响下，微通道液体冷却研究仍然存在部分基础性的问题亟待解决。比如，在部分研究过程中，微通道液体冷却存在着流动稳定性较差的问题；一些研究人员在对主导传热机制和流行预测等相关内容进行分析的时候受到外部因素影响难以进行有效研究；部分工作者对于传热和压强的预测方法以及临界热流密度等相关要素的研究无法形成一致的认识。除此之外，在微通道的平行矩形通道数量为 27，其中的水力直径达到 421 微米情况下开展研究工作所得结果显示，在热流密度相对较低的运行状态下，流行往往呈现出泡状流和断塞流状态，而传热机制则表现出核态沸腾现象，与此同时，微通道当中的换热系数变化情况与热流密度的变化呈正相关。另一方面，在热流密度较高的情形下，微通道当中的流行通常表现为环状流，与此同时，传热机制则呈现出对流沸腾状态，在此情形下， 换热系数与质量流量之间呈现出一定的正向关联，在质量流量不断增大的同时，换热系数会随之增大，但 在流量相对较低的情况下则会发生干烧现象。

1.1.2 液体喷雾冷却

液体喷雾冷却运行方式主要是指借助喷嘴喷出的微小液滴对电子芯片所产生的热量进行发散，具体来看，在液体喷雾冷却运作过程中，喷嘴所喷出的细小液滴能够在电子芯片的热源表面组建冷却液薄膜，在薄膜的流动过程和微小液滴蒸发过程中，电子芯片表面的热量将会被带走。除此之外，液体喷雾冷却散热方式还能够在很大程度上消除电子芯片热源和冷却机 之间的热阻，在液体薄膜运作过程中，由于薄膜能够夹带空气，从而促使二次成核的实现，所以液体喷雾冷却操作方式能够有效提高换热系数。结合具体的研究成果进行分析，可知，喷雾冷却的向变换热热流密度甚至能够超过 1000 瓦 / 平方米。归根结底，液体喷雾冷却散热技术具有比较强的功能性，并且在实际运行过程中，其冷却液的流量相对较小，并且整体的温度分布均匀程度较高，整体过热度比较低。由此可见， 液体喷雾冷却散热方式在当下的电子芯片散热研究过程中具有非常优质的研究意义，在高热流密度电子芯片散热技术当中也极具优化发展潜力。当然，任何技术手段在具备强大优点的同时，也会存在一些不足之处，液体喷雾冷却技术则体现在实际工作中起喷嘴容易出 现堵塞问题，与此同时，液体喷雾冷却换热机的工作 原理相对复杂，并且实际运行过程中同样存在一些系 统过于紧凑和换热，即在强化等问题未能得到良好解决，此外，液体喷雾冷却工作过程中，喷嘴的工作压力应该保持在两个大气压及以上。总体而言，在对液 体喷雾冷却系统进行优化研究的时候，工作人员应该结合系统当中的泵驱动循环不足之处进行进一步研究， 从而有效解决系统复杂性和压力控制等相关问题，从而使液体喷雾冷却的工作可靠性得到进一步的加强。

1.1.3 液体喷射冷却

相比液体喷雾，液体喷射冷却工作过程中，需要借助高速射流在电子芯片的热源表面构成边界层以此实现换热目标，从本质作用上来看，液体喷射冷却操作方法能够在电子芯片的部分位置产生非常强大的对流换热效果。在实际的液体喷射冷却应用过程中，比较常用的工质主要为液氮和水以及 FC 72 等相关物质。就当下液体喷射冷却的研究成果而言，在电子芯片的表面温度处于 85 摄氏度并且流量在 2.5 升 / 分钟以下 的基础上，气压低于 36.05 千帕时液体喷射冷却技术 的散热能力能够大于 300 瓦 / 平方米。由此可见，液 体喷射冷却技术作为大功率电子设备散热技术，在当下行业发展背景当中具有比较光明的发展前景，能够在电子芯片的局部散热方面发挥积极作用。当然， 从液体喷射冷却技术的缺点和不足方面来看，在喷射 冷却的单向换热过程当中，由于冷却液体逐渐流向出 口，所以由高速射流而形成的边界层厚度将会有所增加，基于此，液体喷射冷却的整体换热系数将会随之下降。另外，虽然单个喷嘴的液体喷射冷却结构能够在很大程度上提高局部冷却的效率，但与此同时，单个喷嘴结构也会对冷却均匀程度造成一定的限制，因此，在真实的散热时间过程中，往往需要涉及多个喷嘴来保障冷却的均匀度，但是由于液体喷射冷却工作过程中进行的高速射流本身具备比较大的作用力，所以在多个喷嘴共同进行喷射的时候，流体之间又会发生相互作用，从而导致换热复杂性有所提升。另外， 与液体喷雾冷却相似，为了有效保障电子芯片的可靠性，在利用液体喷射冷却技术的时候需要严格地控制喷射压力，避免喷射操作对电子芯片造成破坏。可见， 现阶段仍然需要对液体喷射冷却技术进行更进一步的创新优化研究。

1.2 微型蒸汽压缩制冷

蒸汽压缩制冷技术主要是指在温度环境相对较高的条件下发挥冷却作用的工作方式，从电子芯片散热角度来看，蒸汽压缩制冷能够使芯片保持在温度相对较低的条件下，并且具有更强的可靠性，整体的制冷效率也比较高，在稳定运行的条件下，能够达到其他 制冷方式的 3 倍制冷效率，由此可见，微型蒸汽压缩制冷是当下电子芯片散热技术当中效率最高的方式。但是相比其他散热技术而言，蒸汽压缩制冷实际操作过程中，需要具备比较大的散热空间，由于压缩机在运行过程中同样可能出现系统工作方面的稳定性问题，所以在电子芯片微型化发展过程中利用蒸汽压缩制冷进行散热的时候也需要从系统微型化方面进行研究，但这样也会导致蒸汽压缩制冷的成本相对更高。从当前微型蒸汽压缩制冷技术的发展情形上来看，现阶段该技术存在着缺乏可靠技术、蒸发器结露问题显著、制冷系统封装困难等相关问题。从当下针对电子芯片的微型蒸汽压缩制冷技术开展的研究工作成果上来看，在实际的电子芯片散热过程中有效控制微型蒸汽压缩制冷系统当中的制冷剂充注量和毛细管长度， 对于保障系统稳定运行，提高整体系统性能水平有着直接影响，如果将制冷剂的充注量和毛细管的长度控 制在合理的范围内，那么整体的制冷系统将会呈现出最佳的工作状态。除此之外，为了进一步降低微型蒸汽压缩制冷系统的运行成本，需有效提高蒸发器工作稳定性，降低漏热问题的发生概率，并降低压缩机的实际功耗，这对于保障散热效果，降低制冷成本意义重大。

1.3 热电制冷

热电制冷技术在消除电子芯片的局部热点方面具有比较显著的优势作用，通常情况下，在实际的电子芯片散热技术应用过程中可以将热电制冷落实在制冷量相对较小并且对装置小型化具有一定要求的场合当中。具体来看，热电制冷技术本身不具备运动部件， 与此同时，在实际工作中，热电制冷具有非常强的可靠性和稳定性，并且能够对实际的温度进行精准地把 控，其对温度的控制精度能够达到 0.1℃范围内。与此同时，热电制冷技术具有非常高的反应灵敏性，由于整体的热电制冷技术结构相对简单，并且可集成度高，所以在实际操作过程中所具备的技术操作难度也相对较小。而从热电制冷技术的发展方向上来看，当下电子芯片散热工作中热电制冷技术具有灵活性较差的缺点，并且相比于上文提到的蒸汽压缩制冷而言， 热电制冷的效率仅能达到 0.1 到 0.4，由此可见，在当下的热电制冷技术优化研究过程中，相关人员需要从提高制冷效率和制冷量层面开展具体的设计优化研究。通过深入开展科研工作来进一步提高热电制冷的材料优质系数，并对热电材料的整体成本进行控制研究，通过全面优化热电制冷片热端的散热方式设计， 有效提高热电制冷的整体工作效率。结合现阶段热电制冷的发展情况来看，当下热电制冷技术的理论体系已经趋于成熟，但是热电制冷技术在热电材料和热端散热方式方面却仍然存在着比较大的发展空间，因此， 在未来的电子芯片散热技术研发过程中，立足于热电材料进行发展路径拓展和探索非常可行。

2 被动式散热

2.1 热管冷却

在新时代下，对电子芯片的被动散热技术进行研 究时，工作人员应该充分重视热管冷却的具体研究优化，并且，相关人员应该结合电子芯片微型化的发展特点，充分重视微热管冷却技术的研究工作。具体来看，相比于传统热管而言，微热管在冷却工作过程中 能够被直接地镶嵌在硅基板当中，如此一来，在微热管冷却技术工作过程中，相关电子模块和热沉之间的接触热阻将会在很大程度上得到缩减，与此同时，微热管在工作中能够非常有效地对电子芯片当中的热点部位进行降温，并且也能够在很大程度上使电子芯片 表面的温度更加均匀的分布。而从热管冷却技术的应用层面进行基础性研究，可知当下微热管冷却仍然存在着比较庞大的发展空间，具体来看，在现阶段的热管研究过程中，工作人员应该注意结合热管冷却的实际封装方法开展优化改进研究，与此同时，也应该立足于微尺度相变换热机理不断推进研究工作深入，通过对热管当中的相变行为和湿润过程等进行全面了解和研究来进一步对微热管传热极限相关的参数影响加以明确并掌握相关影响规律。除此之外，散热技术科研人员还应该从降低制作成本角度对微热管冷却技术加以研究，找寻复杂工艺手段的应用缩减途径，积极研究新型材料以减少材料使用量，从而在保障热管冷却散热效果的同时控制加工制作成本。

2.2 相变储热散热最后，在相变储热散热技术的研究过程中，工作人员应该结合具体的散热运作原理进行综合性的科研分析，具体来看，相变储热散热工作过程中会借助储热材料将电子芯片运行过程中所产生的热量通过相变潜热的形式进行吸收和储存并辅助以其它散热方式将电子芯片热量彻底去除。从本质作用上来看，相变储热散热技术能够在短时间内对大功率的电子芯片进行 散热，在相变储热散热工作过程中，电子芯片散热不及时和热量聚集等问题的发生率将会大幅降低。追根溯源，相变储热散热技术能够对电子芯片的热量进行削峰填谷，对于保障电子芯片的正常运行、防止芯片过热失效有着积极作用。因为相变材料本身具有非常强的潜热性，并且实际的应用成本较低，熔点范围也很广，所以在实际的电子芯片散热落实过程中，相变储热散热技术已经逐渐成为当下电子芯片热量控制的主要技术手段内容。综上所述，在当下的电子芯片散热技术研究过程中，相关人员应该基于相变储热温度波动幅度小和系统操作简单方便等优势，积极推进技术发展研究落实，同时，从当下相变材料封装和热导率等相关问题出发，积极开展研究工作，有效解决相变储热散热技术中存在的问题，提高相变储热散热对 电子芯片的温度控制性能水平。

3 结语

结合上文叙述进行综合分析不难看出，在新的科 技发展时期结合电子芯片的功能优化发展情况，对散 热技术进行创新研究是现阶段关键的研究课题。从业人员在实际工作过程中，应该立足于主动式散热和被动式散热两个方向对具体的散热技术内容进行深入剖析，从液体冷却、微型蒸汽压缩制冷、热电制冷等方面对主动式散热进行全面的优化分析，立足于热管冷 却和相变储热散热推进被动式散热技术更新升级， 以此全面有效的为电子芯片散热带来更加优质的技术发展内容，真正为芯片散热技术的未来发展保驾护航。

来源：Industrial Technology Innovation

作者：朱俞翡