淺談CPU散熱器的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

引言

過(guò)去的三十年見(jiàn)證了現(xiàn)代電子工業(yè)的個(gè)人電腦及其服務(wù)器的日新月異。同時(shí)，由于增加的熱流體的散熱問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了超級(jí)高性能的CPU的發(fā)展。目前，傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)，如風(fēng)冷，水冷和熱管依然在散熱領(lǐng)域扮演著主要的角色。這主要?dú)w因于這些技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷卻效率高以及低成本。除此之外，一系列的新的和更高級(jí)的冷卻技術(shù)正在涌現(xiàn)，比如說(shuō)，微通道，離子風(fēng)，壓電式翅片，磁性極化納米流體，以及微包裹體相變流體等。這些令人欣喜的策略具有獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)以及一些甚至能夠處理極端高熱流體的條件。然而，對(duì)于大部分散熱的方式來(lái)說(shuō)，一些技術(shù)問(wèn)題，比如復(fù)雜的制造工藝，高成本，以及可靠性問(wèn)題，離大規(guī)模的商業(yè)使用依然有很大的提升空間。

在許多的新創(chuàng)意中，液態(tài)金屬冷卻技術(shù)迅速成為了近年來(lái)最吸引人的散熱技術(shù)。它最典型的優(yōu)勢(shì)在于，液態(tài)金屬的高的熱物性以及它獨(dú)一無(wú)二的電磁驅(qū)動(dòng)特性。目前，基于金屬鎵的合金被認(rèn)為是最好的可用于該技術(shù)最好的材料。該合金的有低的熔點(diǎn)（<10℃），高的導(dǎo)熱率，無(wú)毒，高的沸點(diǎn)，因此有了優(yōu)秀的冷卻能力和高的可靠性。

現(xiàn)在最常用的風(fēng)冷技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了它的極限，隨著CPU芯片集成技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)冷技術(shù)將無(wú)法滿足市場(chǎng)的要求。新型的液體金屬散熱方法雖然理論上具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但昂貴的價(jià)格不利于大規(guī)模生產(chǎn)，而且在實(shí)際應(yīng)用中其散熱效果并不理想，與目前最先進(jìn)的風(fēng)冷散熱器相比，并沒(méi)有完全處于優(yōu)勢(shì)地位。液體具有良好的流動(dòng)性和導(dǎo)熱性，因此液體散熱技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，成為各種臺(tái)式計(jì)算機(jī)及大型工作站散熱的首選，而且效果也明顯優(yōu)于常規(guī)的風(fēng)冷散熱。目前對(duì)于液體冷卻主要是研究其流道結(jié)構(gòu)和冷卻液成分，冷卻液主要包括水、納米流體、液體金屬。液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最高，其次是納米流體，最后是水。謝開(kāi)旺提出在液體金屬中加入納米粉體，可以形成導(dǎo)熱系數(shù)更高的納米金屬流體。宋思洪等通過(guò)研究表明，不同功率下芯片溫度隨導(dǎo)熱系數(shù)的升高而降低，但導(dǎo)熱系數(shù)越高，芯片溫度降低的幅度越小，可見(jiàn)單純提高導(dǎo)熱系數(shù)并不能大幅提高冷卻液的散熱性能。因此，還需從冷卻液的其他熱物性方面入手（如提高比熱）來(lái)增強(qiáng)工質(zhì)的散熱性能，以期獲得一種具有較高導(dǎo)熱系數(shù)以及較大等效比熱的潛熱型低熔點(diǎn)液態(tài)金屬功能熱流體。

   1 液體散熱技術(shù)

CPU芯片過(guò)熱所導(dǎo)致的“電子遷移”是造成CPU內(nèi)部芯片損壞的主要原因。電子遷移是指電子流動(dòng)所引起的金屬原子遷移的現(xiàn)象。在芯片內(nèi)部電流強(qiáng)度很高的金屬導(dǎo)線上，電子的流動(dòng)會(huì)給金屬原子一個(gè)動(dòng)量，當(dāng)電子與金屬原子碰撞時(shí)，可能會(huì)使金屬原子脫離金屬表面四處流動(dòng)，導(dǎo)致金屬表面上形成坑洞或凸起，這是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的永久性傷害。如果這個(gè)慢性過(guò)程一直持續(xù)，則將最終造成內(nèi)部核心電路的短路或斷路，徹底損壞CPU。

液體冷卻是一種非常有效的散熱手段，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)上，如強(qiáng)激光和高功率微波技術(shù)的散熱系統(tǒng)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的熱交換等。液體具有非常高的比熱容，可以在CPU 芯片的發(fā)熱部位吸收大量的熱，而且由于良好的流動(dòng)性，液體可以流動(dòng)到其他低溫部位再將熱量排出，這樣連續(xù)不斷地吸熱和散熱，保證了芯片部位一直處于較低溫度，從而達(dá)到保護(hù)芯片的目的。

表1  目前ＣＰＵ芯片的散熱方式

常用的液體冷卻方式有三種：大器件的液體冷卻循環(huán)技術(shù)、熱管技術(shù)和霧化噴射冷卻技術(shù)。大器件的液體冷卻循環(huán)系統(tǒng)最常用，也已經(jīng)有多種產(chǎn)品問(wèn)世；熱管技術(shù)在筆記本電腦中的應(yīng)用較多，在臺(tái)式電腦中應(yīng)用較少；而液體噴射冷卻技術(shù)只見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，未見(jiàn)實(shí)際應(yīng)用。目前研究較多的冷卻液是水、液態(tài)金屬和納米流體。納米流體多用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻，其優(yōu)異的傳熱性能備受關(guān)注，在電子芯片散熱方面也有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

2　液體散熱器的結(jié)構(gòu)

2.1　常用液冷循環(huán)系統(tǒng)

通常的液體散熱器即大器件的液體循環(huán)冷卻系統(tǒng)如圖１所示，由一根出水管、一根進(jìn)水管和與芯片接觸的蓄水槽組成。其中蓄水槽的部分是最重要的部分，其內(nèi)部構(gòu)造決定散熱效果的優(yōu)劣，以微槽通道聯(lián)通液體循環(huán)的路徑。另外液體的循環(huán)需要外加動(dòng)力源，于是在系統(tǒng)中還必須要有一個(gè)水泵給液體施加壓力，使其流動(dòng)起來(lái)。

圖１　常用液冷循環(huán)系統(tǒng)示意圖

如果電腦發(fā)熱量較大或需要長(zhǎng)時(shí)間大負(fù)荷運(yùn)行，還可在散熱器的冷凝段加風(fēng)扇，用以加速液體的冷卻，但這樣做也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，如耗電、傳送距離短、有噪音、體積大、安裝麻煩等。為了解決外接動(dòng)力源，達(dá)到節(jié)能的目的，可以使用電滲流微泵（EOF-micro-pump）作為流體驅(qū)動(dòng)裝置，微通道冷卻系統(tǒng)（Micro-channel cooling system）就是一種具有非常理想的散熱效率的裝置，系統(tǒng)的最大散熱功率超過(guò)200W，完全能夠滿足芯片的散熱要求。電滲泵原理如圖2所示。

圖２　電滲泵原理圖

楊濤對(duì)多孔介質(zhì)電滲泵性能進(jìn)行了研究，分析了電滲泵的流率和壓力，研究證明電滲泵符合液體冷卻系統(tǒng)的要求。電滲泵基于電滲作用驅(qū)動(dòng)電解液向前流動(dòng)，稱之為電滲流，可在液體中利用其中的離子進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，使液體流動(dòng)。這種方法可以很好地實(shí)現(xiàn)外加動(dòng)力、減小體積和方便安裝等功能目標(biāo)。電滲泵無(wú)可移動(dòng)部件，性能優(yōu)良，是微流體系統(tǒng)首選的驅(qū)動(dòng)泵。

2.2　霧化噴射冷卻系統(tǒng)

霧化噴射冷卻是通過(guò)霧化噴管借助高壓氣體（氣助噴射）或依賴液體本身的壓力（壓力噴射）使液體霧化，將其強(qiáng)制噴射到發(fā)熱物體表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的有效冷卻技術(shù)。霧化噴射冷卻是大量霧化后的微小液滴群撞擊被冷卻壁面的行為，該物理過(guò)程的換熱機(jī)理十分復(fù)雜，眾多影響因素相互牽連，給實(shí)驗(yàn)研究帶來(lái)了很大困難。霧化噴射冷卻的簡(jiǎn)化示意圖如圖３所示。霧化噴射冷卻是一種非常有前景的高熱流強(qiáng)制冷卻技術(shù)，其換熱強(qiáng)烈，具有很高的臨界熱流密度值（CHF），且冷卻均勻，適用于一些對(duì)溫度要求很嚴(yán)格的領(lǐng)域（如在微電子、激光技術(shù)、國(guó)防、航天技術(shù)等），并顯出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和重要性。液體噴射冷卻是一種利用液體吸收熱量并依靠液體良好的流動(dòng)性帶走熱量的高傳熱率的散熱手段，當(dāng)液流噴射速度達(dá)到47m/s時(shí)，其散熱能力高達(dá)1700，該技術(shù)已應(yīng)用于冶金、化工等多種工業(yè)過(guò)程中。劉天軍設(shè)計(jì)了一種基于疊堆式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)流體對(duì)芯片底層進(jìn)行噴射冷卻的冷卻器，疊堆式壓電陶瓷微位移器與壓電薄膜相比，具有位移分辨率高、頻響高、承載力大的優(yōu)點(diǎn)。這種方法對(duì)電子元器件的冷卻效果非常理想，可以使器件表面的溫度降低到所要求的溫度，而且冷卻的速度非?？?，能夠滿足電子元器件持續(xù)增加的發(fā)熱功率對(duì)散熱的要求。但對(duì)于電子元器件而言，冷卻液還需具有惰性、絕緣性和優(yōu)良的導(dǎo)熱性，同時(shí)散熱器也應(yīng)具有完善的封裝技術(shù)。

圖3　霧化噴射簡(jiǎn)化示意圖

目前此項(xiàng)技術(shù)還處于理論研究階段，理論分析還不夠深入，主要依靠實(shí)驗(yàn)?zāi)M手段，還難以達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的目標(biāo)。

2.3 熱管冷卻系統(tǒng)

熱管是一種非常有效的傳熱元件，其原理簡(jiǎn)單，基本工作原理如圖4所示。

圖4 熱管工作示意圖

典型熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成0.13×10-0.13Pa的負(fù)壓后充入適量的冷卻液，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯（毛細(xì)多孔材料）中充滿液體，然后加以密封。管的兩端分為蒸發(fā)段和冷凝段，二者可以互換。當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)，液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向溫度較低的另一端，放出熱量后凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料依靠毛細(xì)力作用流回蒸發(fā)段，形成循環(huán)，熱量就由熱管的一端傳至另一端。由于在蒸發(fā)端，液體經(jīng)過(guò)毛細(xì)孔時(shí)會(huì)出現(xiàn)彌散效應(yīng)，王補(bǔ)宣等進(jìn)行了平行平板間填充球粒填料的傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)平行平板間填充小顆粒球粒具有較好的強(qiáng)化傳熱效果，與不填充填料時(shí)相比，其對(duì)流換熱系數(shù)一般增加3-5倍。

表2　三種散熱器件的對(duì)比

由表2可知，三種散熱技術(shù)中，普通的水冷散熱循環(huán)，原理簡(jiǎn)單、技術(shù)要求低，容易規(guī)模化生產(chǎn)，但散熱效果相對(duì)較差，雖能夠滿足較高要求的計(jì)算機(jī)散熱，但難以適應(yīng)未來(lái)計(jì)算機(jī)芯片的高速發(fā)展。熱管技術(shù)的工藝要求相比液體噴射系統(tǒng)低許多，且技術(shù)成熟度明顯高于后者，散熱效果也明顯優(yōu)于普通液冷循環(huán)系統(tǒng)，因此熱管技術(shù)應(yīng)該是未來(lái)計(jì)算機(jī)冷卻散熱系統(tǒng)的首選。倘若液體噴射系統(tǒng)的技術(shù)更加成熟，工藝要求更加簡(jiǎn)單，則很有可能取代熱管系統(tǒng)。

3冷卻液材料

3.1　水

目前關(guān)于液冷散熱的研究，大多采用水作為冷卻液。水作為最常用的液體工質(zhì)，具有非常高的比熱容和優(yōu)異的流動(dòng)性，且非常廉價(jià)，因此具有很強(qiáng)的實(shí)用性。常用液冷材料的一些熱物性如表3所示。

表3　常用液冷材料的一些熱物性

從表3可以看出，水是比較理想的冷卻液材料，但若能在水中添加少許乙二醇、丙三醇等粘度較大的液體，可改善水的性能，提高其比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)，降低揮發(fā)性，從而改善冷卻效果，使水冷散熱器的散熱效果更加顯著，提高其開(kāi)發(fā)和應(yīng)用價(jià)值。

3.2　液態(tài)金屬

利用金屬液體作為散熱工質(zhì)最早應(yīng)用在核反應(yīng)堆的熱傳導(dǎo)上。2002年，華中科技大學(xué)劉靜提出其在CPU芯片散熱方面的應(yīng)用，隨后引起多方關(guān)注，國(guó)內(nèi)外普遍圍繞液態(tài)金屬作為冷卻液展開(kāi)研究。2013年華中科技大學(xué)鄧越光對(duì)實(shí)驗(yàn)的液態(tài)金屬的原型的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。熱傳導(dǎo)回路中的電磁泵和翅片散熱器是影響冷卻系統(tǒng)的表現(xiàn)的關(guān)鍵因素。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，盡管液態(tài)金屬的散熱效果在熱功率低于100W時(shí)僅次于熱管，但是，在加熱功率在400W或更高時(shí)，液態(tài)金屬有更好的散熱性能。圖5、6 為電磁泵及其原理示意圖。液態(tài)金屬目前的工作主要包括降低液態(tài)金屬的熔點(diǎn)，研究液態(tài)金屬的粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等熱物性和驅(qū)動(dòng)方式及尋找新的液態(tài)金屬成分以降低成本等方面。2005年，第一家液體金屬散熱器公司Dynamics成立，2008年，第一代液態(tài)金屬散熱器LM-10問(wèn)世，后來(lái)又有其升級(jí)版問(wèn)世。

圖5   典型的電磁泵

圖6  泵內(nèi)流體的路徑示意圖

表4  鎵銦合金液態(tài)金屬與水的部分熱物性

液態(tài)金屬是熔點(diǎn)特別低的金屬如Na、K、Ga、In等形成的合金，其在常溫甚至零度以下也保持液體形態(tài)，從而能夠代替水等常規(guī)冷卻液。由于金屬的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水，液態(tài)金屬的流動(dòng)性能也非常出眾，同時(shí)熔點(diǎn)也可以降低到零度以下，與水相比其使用范圍更廣，因此液態(tài)金屬有很大的潛力。鎵銦合金液態(tài)金屬與水的熱物性比較如表4所示。

為進(jìn)一步提高液態(tài)金屬的導(dǎo)熱性能，馬坤全等根據(jù)納米流體理論，以液態(tài)金屬為基液，添加納米顆粒，配制成納米流體。由于大多數(shù)固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)均大于液體，因此由顆粒和流體組成的混合物導(dǎo)熱系數(shù)將高于液體本身的導(dǎo)熱系數(shù)，而且液態(tài)金屬的密度大，可以使納米流體的顆粒含量更高且不易沉降，同時(shí)系統(tǒng)也更加穩(wěn)定，導(dǎo)熱性能比其他基液的納米流體更強(qiáng)，制備以液態(tài)金屬為基液的納米流體是目前研制導(dǎo)熱性最強(qiáng)的終極冷卻劑的技術(shù)途徑。另外，液態(tài)金屬還可采用電磁驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)方式無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，具有可靠性高、振動(dòng)噪聲小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、功耗小、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。液態(tài)金屬的優(yōu)勢(shì)非常突出，同時(shí)缺點(diǎn)也很明顯，即價(jià)格昂貴。而相對(duì)低廉的Na、K合金又具有極大的危險(xiǎn)性，用Ga、In做成的散熱器LM-10的價(jià)格是目前最好的風(fēng)冷散熱器的３倍以上，但散熱效果卻沒(méi)有明顯改善，不具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3.3納米流體

在普通冷卻液（水、乙醇等）中添加納米液滴，可以增強(qiáng)其導(dǎo)熱性。2006年馬里蘭大學(xué)帕克學(xué)院機(jī)械工程系的Yang.b和Han,Z.H.等考察了納米液滴添加到FC-72（全氟化學(xué)品）中對(duì)其傳熱能力的增強(qiáng)效果，其中液滴直徑約9.8nm，體積分?jǐn)?shù)為12%，測(cè)得的有效熱導(dǎo)率增加了52%。由于FC-72常用于浸入式芯片散熱的工質(zhì)，添加納米液滴到這種介質(zhì)中可望提高芯片的冷卻效果。由于固體顆粒具有比液體高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的導(dǎo)熱性能，因此添加固體納米顆粒配制成的溶液，其導(dǎo)熱系數(shù)要比普通的純液體高出許多。表5是多種納米材料與水的導(dǎo)熱系數(shù)的對(duì)比。

表5　多種納米材料與水的導(dǎo)熱系數(shù)

納米流體是指在液體基液中加入金屬、金屬氧化物或非金屬的納米顆粒配制而成的較穩(wěn)定的懸浮液。Eastman等通過(guò)氣相沉積法制備了Cu－機(jī)油、CuO－水、Al3O2－水等幾種納米流體，通過(guò)靜置實(shí)驗(yàn)及電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，納米流體懸浮液中粒子分散性較好、懸浮穩(wěn)定性較高，納米流體可穩(wěn)定懸浮一周左右，且有效導(dǎo)熱系數(shù)比其固相提高了40-150%。郭守柱等發(fā)現(xiàn)在液體中加入磁性納米顆粒，在磁場(chǎng)的作用下可使液體導(dǎo)熱系數(shù)提高300%。納米流體在熱力學(xué)上是一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，懸浮著的顆粒終究會(huì)因團(tuán)聚而沉降，因此延長(zhǎng)顆粒物的懸浮時(shí)間便是一個(gè)非常重要的研究方向。楊雪飛通過(guò)對(duì)SiO2納米顆粒進(jìn)行表面改性，使SiO2表面形成“Si-O-Si”的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而制備出懸浮穩(wěn)定性能優(yōu)異的納米流體，系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間超過(guò)一年。金屬單質(zhì)的導(dǎo)熱性能非常好，但納米級(jí)別的金屬單質(zhì)具有危險(xiǎn)性，因此應(yīng)該在它們的氧化物中尋找更加合適的納米粉體。目前對(duì)納米流體的研究主要集中在系統(tǒng)穩(wěn)定性和納米粉體種類的選擇上，其中碳納米管、納米SiO2、納米CuO。

４　結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)芯片的發(fā)熱量不斷增加，傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱方式會(huì)被逐漸淘汰，功能更加強(qiáng)大的液體冷卻方式將成為主流。散熱器件和冷卻液的性能直接影響著散熱效果的好壞。常用散熱循環(huán)系統(tǒng)、熱管和液體噴射系統(tǒng)三者各有優(yōu)點(diǎn)，但就目前來(lái)看，普通液冷循環(huán)系統(tǒng)更占優(yōu)勢(shì)；熱管系統(tǒng)應(yīng)該在降低成本和簡(jiǎn)化工藝上做進(jìn)一步的研究，其很有可能成為主流器件；而液體噴射技術(shù)則需要在簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和理論分析上做進(jìn)一步的研究。水作為CPU散熱的冷卻液材料目前還能滿足要求，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，純水將被納米流體和液態(tài)金屬所替代。液態(tài)金屬雖具有優(yōu)于納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，但其高昂的價(jià)格難以讓普通消費(fèi)者接受，且性價(jià)比不高，降低成本和提高潛熱等熱物性將是其主要的研究方向。納米流體具有很好的導(dǎo)熱系數(shù)和較大的比熱容，將會(huì)是未來(lái)CPU散熱冷卻液材料最合適的選擇，其下一步的研究重點(diǎn)應(yīng)放在提高穩(wěn)定性和導(dǎo)熱系數(shù)等熱物性上。

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