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摘要：隨著電子芯片的集成化和微型化發(fā)展，對(duì)電子芯片的功能進(jìn)行進(jìn)一步升級(jí)和強(qiáng)化勢(shì)在必行，由于現(xiàn)階段大多數(shù)電子芯片的功耗持續(xù)提升并在工作中產(chǎn)生了大量熱量，從而影響到正常工作，所以對(duì)芯片的散熱技術(shù)進(jìn)行深入研究非常必要。鑒于此，本文從主動(dòng)式散熱和被動(dòng)式散熱兩個(gè)層面出發(fā)進(jìn)行分析研究，以期探究更加行之有效 的散熱技術(shù)應(yīng)用措施

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關(guān)鍵詞：電子芯片；散熱技術(shù)；發(fā)展

基于現(xiàn)階段電子芯片的綜合性能越來(lái)越高、整體尺寸越來(lái)越小的發(fā)展情況，電子芯片工作過(guò)程中所呈現(xiàn)出的熱流密度同樣大幅提升，傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱已經(jīng) 很難滿足當(dāng)下電子芯片的散熱需求，因此，對(duì)芯片散熱技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，并對(duì)當(dāng)下的散熱方式加以創(chuàng)新調(diào)整對(duì)于保障電子芯片的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。由此可見(jiàn)，在新的發(fā)展時(shí)期，推動(dòng)新型高效的電子芯片散熱技術(shù)研究發(fā)展迫在眉睫。

1 主動(dòng)式散熱

1.1 液體冷卻

1.1.1 微通道液體冷卻

從現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)角度進(jìn)行分析，當(dāng)下，部分研究人員雖然對(duì)微通道當(dāng)中的實(shí)際沸騰、流動(dòng)特性開(kāi)展了大量的科學(xué)研究，但是基于具體的工作情況和散熱冷卻公式，以及微通道的結(jié)構(gòu)尺寸等差異性要素影響下，微通道液體冷卻研究仍然存在部分基礎(chǔ)性的問(wèn)題亟待解決。比如，在部分研究過(guò)程中，微通道液體冷卻存在著流動(dòng)穩(wěn)定性較差的問(wèn)題；一些研究人員在對(duì)主導(dǎo)傳熱機(jī)制和流行預(yù)測(cè)等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析的時(shí)候受到外部因素影響難以進(jìn)行有效研究；部分工作者對(duì)于傳熱和壓強(qiáng)的預(yù)測(cè)方法以及臨界熱流密度等相關(guān)要素的研究無(wú)法形成一致的認(rèn)識(shí)。除此之外，在微通道的平行矩形通道數(shù)量為 27，其中的水力直徑達(dá)到 421 微米情況下開(kāi)展研究工作所得結(jié)果顯示，在熱流密度相對(duì)較低的運(yùn)行狀態(tài)下，流行往往呈現(xiàn)出泡狀流和斷塞流狀態(tài)，而傳熱機(jī)制則表現(xiàn)出核態(tài)沸騰現(xiàn)象，與此同時(shí)，微通道當(dāng)中的換熱系數(shù)變化情況與熱流密度的變化呈正相關(guān)。另一方面，在熱流密度較高的情形下，微通道當(dāng)中的流行通常表現(xiàn)為環(huán)狀流，與此同時(shí)，傳熱機(jī)制則呈現(xiàn)出對(duì)流沸騰狀態(tài)，在此情形下， 換熱系數(shù)與質(zhì)量流量之間呈現(xiàn)出一定的正向關(guān)聯(lián)，在質(zhì)量流量不斷增大的同時(shí)，換熱系數(shù)會(huì)隨之增大，但 在流量相對(duì)較低的情況下則會(huì)發(fā)生干燒現(xiàn)象。

1.1.2 液體噴霧冷卻

液體噴霧冷卻運(yùn)行方式主要是指借助噴嘴噴出的微小液滴對(duì)電子芯片所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行發(fā)散，具體來(lái)看，在液體噴霧冷卻運(yùn)作過(guò)程中，噴嘴所噴出的細(xì)小液滴能夠在電子芯片的熱源表面組建冷卻液薄膜，在薄膜的流動(dòng)過(guò)程和微小液滴蒸發(fā)過(guò)程中，電子芯片表面的熱量將會(huì)被帶走。除此之外，液體噴霧冷卻散熱方式還能夠在很大程度上消除電子芯片熱源和冷卻機(jī) 之間的熱阻，在液體薄膜運(yùn)作過(guò)程中，由于薄膜能夠夾帶空氣，從而促使二次成核的實(shí)現(xiàn)，所以液體噴霧冷卻操作方式能夠有效提高換熱系數(shù)。結(jié)合具體的研究成果進(jìn)行分析，可知，噴霧冷卻的向變換熱熱流密度甚至能夠超過(guò) 1000 瓦 / 平方米。歸根結(jié)底，液體噴霧冷卻散熱技術(shù)具有比較強(qiáng)的功能性，并且在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，其冷卻液的流量相對(duì)較小，并且整體的溫度分布均勻程度較高，整體過(guò)熱度比較低。由此可見(jiàn)， 液體噴霧冷卻散熱方式在當(dāng)下的電子芯片散熱研究過(guò)程中具有非常優(yōu)質(zhì)的研究意義，在高熱流密度電子芯片散熱技術(shù)當(dāng)中也極具優(yōu)化發(fā)展?jié)摿Α．?dāng)然，任何技術(shù)手段在具備強(qiáng)大優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也會(huì)存在一些不足之處，液體噴霧冷卻技術(shù)則體現(xiàn)在實(shí)際工作中起噴嘴容易出 現(xiàn)堵塞問(wèn)題，與此同時(shí)，液體噴霧冷卻換熱機(jī)的工作 原理相對(duì)復(fù)雜，并且實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中同樣存在一些系 統(tǒng)過(guò)于緊湊和換熱，即在強(qiáng)化等問(wèn)題未能得到良好解決，此外，液體噴霧冷卻工作過(guò)程中，噴嘴的工作壓力應(yīng)該保持在兩個(gè)大氣壓及以上。總體而言，在對(duì)液 體噴霧冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究的時(shí)候，工作人員應(yīng)該結(jié)合系統(tǒng)當(dāng)中的泵驅(qū)動(dòng)循環(huán)不足之處進(jìn)行進(jìn)一步研究， 從而有效解決系統(tǒng)復(fù)雜性和壓力控制等相關(guān)問(wèn)題，從而使液體噴霧冷卻的工作可靠性得到進(jìn)一步的加強(qiáng)。

1.1.3 液體噴射冷卻

相比液體噴霧，液體噴射冷卻工作過(guò)程中，需要借助高速射流在電子芯片的熱源表面構(gòu)成邊界層以此實(shí)現(xiàn)換熱目標(biāo)，從本質(zhì)作用上來(lái)看，液體噴射冷卻操作方法能夠在電子芯片的部分位置產(chǎn)生非常強(qiáng)大的對(duì)流換熱效果。在實(shí)際的液體噴射冷卻應(yīng)用過(guò)程中，比較常用的工質(zhì)主要為液氮和水以及 FC 72 等相關(guān)物質(zhì)。就當(dāng)下液體噴射冷卻的研究成果而言，在電子芯片的表面溫度處于 85 攝氏度并且流量在 2.5 升 / 分鐘以下 的基礎(chǔ)上，氣壓低于 36.05 千帕?xí)r液體噴射冷卻技術(shù) 的散熱能力能夠大于 300 瓦 / 平方米。由此可見(jiàn)，液 體噴射冷卻技術(shù)作為大功率電子設(shè)備散熱技術(shù)，在當(dāng)下行業(yè)發(fā)展背景當(dāng)中具有比較光明的發(fā)展前景，能夠在電子芯片的局部散熱方面發(fā)揮積極作用。當(dāng)然， 從液體噴射冷卻技術(shù)的缺點(diǎn)和不足方面來(lái)看，在噴射 冷卻的單向換熱過(guò)程當(dāng)中，由于冷卻液體逐漸流向出 口，所以由高速射流而形成的邊界層厚度將會(huì)有所增加，基于此，液體噴射冷卻的整體換熱系數(shù)將會(huì)隨之下降。另外，雖然單個(gè)噴嘴的液體噴射冷卻結(jié)構(gòu)能夠在很大程度上提高局部冷卻的效率，但與此同時(shí)，單個(gè)噴嘴結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)冷卻均勻程度造成一定的限制，因此，在真實(shí)的散熱時(shí)間過(guò)程中，往往需要涉及多個(gè)噴嘴來(lái)保障冷卻的均勻度，但是由于液體噴射冷卻工作過(guò)程中進(jìn)行的高速射流本身具備比較大的作用力，所以在多個(gè)噴嘴共同進(jìn)行噴射的時(shí)候，流體之間又會(huì)發(fā)生相互作用，從而導(dǎo)致?lián)Q熱復(fù)雜性有所提升。另外， 與液體噴霧冷卻相似，為了有效保障電子芯片的可靠性，在利用液體噴射冷卻技術(shù)的時(shí)候需要嚴(yán)格地控制噴射壓力，避免噴射操作對(duì)電子芯片造成破壞。可見(jiàn)， 現(xiàn)階段仍然需要對(duì)液體噴射冷卻技術(shù)進(jìn)行更進(jìn)一步的創(chuàng)新優(yōu)化研究。

1.2 微型蒸汽壓縮制冷

蒸汽壓縮制冷技術(shù)主要是指在溫度環(huán)境相對(duì)較高的條件下發(fā)揮冷卻作用的工作方式，從電子芯片散熱角度來(lái)看，蒸汽壓縮制冷能夠使芯片保持在溫度相對(duì)較低的條件下，并且具有更強(qiáng)的可靠性，整體的制冷效率也比較高，在穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，能夠達(dá)到其他 制冷方式的 3 倍制冷效率，由此可見(jiàn)，微型蒸汽壓縮制冷是當(dāng)下電子芯片散熱技術(shù)當(dāng)中效率最高的方式。但是相比其他散熱技術(shù)而言，蒸汽壓縮制冷實(shí)際操作過(guò)程中，需要具備比較大的散熱空間，由于壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中同樣可能出現(xiàn)系統(tǒng)工作方面的穩(wěn)定性問(wèn)題，所以在電子芯片微型化發(fā)展過(guò)程中利用蒸汽壓縮制冷進(jìn)行散熱的時(shí)候也需要從系統(tǒng)微型化方面進(jìn)行研究，但這樣也會(huì)導(dǎo)致蒸汽壓縮制冷的成本相對(duì)更高。從當(dāng)前微型蒸汽壓縮制冷技術(shù)的發(fā)展情形上來(lái)看，現(xiàn)階段該技術(shù)存在著缺乏可靠技術(shù)、蒸發(fā)器結(jié)露問(wèn)題顯著、制冷系統(tǒng)封裝困難等相關(guān)問(wèn)題。從當(dāng)下針對(duì)電子芯片的微型蒸汽壓縮制冷技術(shù)開(kāi)展的研究工作成果上來(lái)看，在實(shí)際的電子芯片散熱過(guò)程中有效控制微型蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)當(dāng)中的制冷劑充注量和毛細(xì)管長(zhǎng)度， 對(duì)于保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，提高整體系統(tǒng)性能水平有著直接影響，如果將制冷劑的充注量和毛細(xì)管的長(zhǎng)度控 制在合理的范圍內(nèi)，那么整體的制冷系統(tǒng)將會(huì)呈現(xiàn)出最佳的工作狀態(tài)。除此之外，為了進(jìn)一步降低微型蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的運(yùn)行成本，需有效提高蒸發(fā)器工作穩(wěn)定性，降低漏熱問(wèn)題的發(fā)生概率，并降低壓縮機(jī)的實(shí)際功耗，這對(duì)于保障散熱效果，降低制冷成本意義重大。

1.3 熱電制冷

熱電制冷技術(shù)在消除電子芯片的局部熱點(diǎn)方面具有比較顯著的優(yōu)勢(shì)作用，通常情況下，在實(shí)際的電子芯片散熱技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中可以將熱電制冷落實(shí)在制冷量相對(duì)較小并且對(duì)裝置小型化具有一定要求的場(chǎng)合當(dāng)中。具體來(lái)看，熱電制冷技術(shù)本身不具備運(yùn)動(dòng)部件， 與此同時(shí)，在實(shí)際工作中，熱電制冷具有非常強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性，并且能夠?qū)?shí)際的溫度進(jìn)行精準(zhǔn)地把 控，其對(duì)溫度的控制精度能夠達(dá)到 0.1℃范圍內(nèi)。與此同時(shí)，熱電制冷技術(shù)具有非常高的反應(yīng)靈敏性，由于整體的熱電制冷技術(shù)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且可集成度高，所以在實(shí)際操作過(guò)程中所具備的技術(shù)操作難度也相對(duì)較小。而從熱電制冷技術(shù)的發(fā)展方向上來(lái)看，當(dāng)下電子芯片散熱工作中熱電制冷技術(shù)具有靈活性較差的缺點(diǎn)，并且相比于上文提到的蒸汽壓縮制冷而言， 熱電制冷的效率僅能達(dá)到 0.1 到 0.4，由此可見(jiàn)，在當(dāng)下的熱電制冷技術(shù)優(yōu)化研究過(guò)程中，相關(guān)人員需要從提高制冷效率和制冷量層面開(kāi)展具體的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究。通過(guò)深入開(kāi)展科研工作來(lái)進(jìn)一步提高熱電制冷的材料優(yōu)質(zhì)系數(shù)，并對(duì)熱電材料的整體成本進(jìn)行控制研究，通過(guò)全面優(yōu)化熱電制冷片熱端的散熱方式設(shè)計(jì)， 有效提高熱電制冷的整體工作效率。結(jié)合現(xiàn)階段熱電制冷的發(fā)展情況來(lái)看，當(dāng)下熱電制冷技術(shù)的理論體系已經(jīng)趨于成熟，但是熱電制冷技術(shù)在熱電材料和熱端散熱方式方面卻仍然存在著比較大的發(fā)展空間，因此， 在未來(lái)的電子芯片散熱技術(shù)研發(fā)過(guò)程中，立足于熱電材料進(jìn)行發(fā)展路徑拓展和探索非常可行。

2 被動(dòng)式散熱

2.1 熱管冷卻

在新時(shí)代下，對(duì)電子芯片的被動(dòng)散熱技術(shù)進(jìn)行研 究時(shí)，工作人員應(yīng)該充分重視熱管冷卻的具體研究?jī)?yōu)化，并且，相關(guān)人員應(yīng)該結(jié)合電子芯片微型化的發(fā)展特點(diǎn)，充分重視微熱管冷卻技術(shù)的研究工作。具體來(lái)看，相比于傳統(tǒng)熱管而言，微熱管在冷卻工作過(guò)程中 能夠被直接地鑲嵌在硅基板當(dāng)中，如此一來(lái)，在微熱管冷卻技術(shù)工作過(guò)程中，相關(guān)電子模塊和熱沉之間的接觸熱阻將會(huì)在很大程度上得到縮減，與此同時(shí)，微熱管在工作中能夠非常有效地對(duì)電子芯片當(dāng)中的熱點(diǎn)部位進(jìn)行降溫，并且也能夠在很大程度上使電子芯片 表面的溫度更加均勻的分布。而從熱管冷卻技術(shù)的應(yīng)用層面進(jìn)行基礎(chǔ)性研究，可知當(dāng)下微熱管冷卻仍然存在著比較龐大的發(fā)展空間，具體來(lái)看，在現(xiàn)階段的熱管研究過(guò)程中，工作人員應(yīng)該注意結(jié)合熱管冷卻的實(shí)際封裝方法開(kāi)展優(yōu)化改進(jìn)研究，與此同時(shí)，也應(yīng)該立足于微尺度相變換熱機(jī)理不斷推進(jìn)研究工作深入，通過(guò)對(duì)熱管當(dāng)中的相變行為和濕潤(rùn)過(guò)程等進(jìn)行全面了解和研究來(lái)進(jìn)一步對(duì)微熱管傳熱極限相關(guān)的參數(shù)影響加以明確并掌握相關(guān)影響規(guī)律。除此之外，散熱技術(shù)科研人員還應(yīng)該從降低制作成本角度對(duì)微熱管冷卻技術(shù)加以研究，找尋復(fù)雜工藝手段的應(yīng)用縮減途徑，積極研究新型材料以減少材料使用量，從而在保障熱管冷卻散熱效果的同時(shí)控制加工制作成本。

2.2 相變儲(chǔ)熱散熱最后，在相變儲(chǔ)熱散熱技術(shù)的研究過(guò)程中，工作人員應(yīng)該結(jié)合具體的散熱運(yùn)作原理進(jìn)行綜合性的科研分析，具體來(lái)看，相變儲(chǔ)熱散熱工作過(guò)程中會(huì)借助儲(chǔ)熱材料將電子芯片運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量通過(guò)相變潛熱的形式進(jìn)行吸收和儲(chǔ)存并輔助以其它散熱方式將電子芯片熱量徹底去除。從本質(zhì)作用上來(lái)看，相變儲(chǔ)熱散熱技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大功率的電子芯片進(jìn)行 散熱，在相變儲(chǔ)熱散熱工作過(guò)程中，電子芯片散熱不及時(shí)和熱量聚集等問(wèn)題的發(fā)生率將會(huì)大幅降低。追根溯源，相變儲(chǔ)熱散熱技術(shù)能夠?qū)﹄娮有酒臒崃窟M(jìn)行削峰填谷，對(duì)于保障電子芯片的正常運(yùn)行、防止芯片過(guò)熱失效有著積極作用。因?yàn)橄嘧儾牧媳旧砭哂蟹浅?qiáng)的潛熱性，并且實(shí)際的應(yīng)用成本較低，熔點(diǎn)范圍也很廣，所以在實(shí)際的電子芯片散熱落實(shí)過(guò)程中，相變儲(chǔ)熱散熱技術(shù)已經(jīng)逐漸成為當(dāng)下電子芯片熱量控制的主要技術(shù)手段內(nèi)容。綜上所述，在當(dāng)下的電子芯片散熱技術(shù)研究過(guò)程中，相關(guān)人員應(yīng)該基于相變儲(chǔ)熱溫度波動(dòng)幅度小和系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)勢(shì)，積極推進(jìn)技術(shù)發(fā)展研究落實(shí)，同時(shí)，從當(dāng)下相變材料封裝和熱導(dǎo)率等相關(guān)問(wèn)題出發(fā)，積極開(kāi)展研究工作，有效解決相變儲(chǔ)熱散熱技術(shù)中存在的問(wèn)題，提高相變儲(chǔ)熱散熱對(duì) 電子芯片的溫度控制性能水平。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合上文敘述進(jìn)行綜合分析不難看出，在新的科 技發(fā)展時(shí)期結(jié)合電子芯片的功能優(yōu)化發(fā)展情況，對(duì)散 熱技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新研究是現(xiàn)階段關(guān)鍵的研究課題。從業(yè)人員在實(shí)際工作過(guò)程中，應(yīng)該立足于主動(dòng)式散熱和被動(dòng)式散熱兩個(gè)方向?qū)唧w的散熱技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行深入剖析，從液體冷卻、微型蒸汽壓縮制冷、熱電制冷等方面對(duì)主動(dòng)式散熱進(jìn)行全面的優(yōu)化分析，立足于熱管冷 卻和相變儲(chǔ)熱散熱推進(jìn)被動(dòng)式散熱技術(shù)更新升級(jí)， 以此全面有效的為電子芯片散熱帶來(lái)更加優(yōu)質(zhì)的技術(shù)發(fā)展內(nèi)容，真正為芯片散熱技術(shù)的未來(lái)發(fā)展保駕護(hù)航。

來(lái)源：Industrial Technology Innovation

作者：朱俞翡