芯片的發(fā)展及其溫度控制新技術(shù)

劉 琦

(武漢大學(xué) 動力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072)

當(dāng)今世界，電子設(shè)備正朝著高性能、高集成的方向發(fā)展，電子設(shè)備的功能越來越強(qiáng)大，體積卻變得越來越小，超高的熱流密度已經(jīng)成為電子設(shè)備進(jìn)一步發(fā)展的阻礙。因此，如何及時地將元件功耗產(chǎn)生的熱量有效地排出，以保持芯片一定的工作溫度已經(jīng)成為當(dāng)前微電子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 芯片的發(fā)展

1971年誕生的第一塊微處理器4004只有2300個晶體管，采用Intel的10微米PMOS技術(shù)生產(chǎn);1989年Intel公司推出的80486芯片集成了120萬個晶體管，首次突破了100萬大關(guān);1993年，Intel推出的奔騰處理器采用Intel微米工藝，含有300萬個晶體管;2002年推出的奔騰4處理器采用Intel的0.13微米工藝，含有5500萬個晶體管;2005年Intel推出的第一個雙核處理器已經(jīng)開始采用90納米工藝，含有2.3億個晶體管;2006年Intel的酷睿2雙核處理器采用65納米工藝，含有2.9億多個晶體管;2010年11月，NVIDIA推出的GF110核心，具有30億個晶體管，采用先進(jìn)的40納米工藝制造;2011年Intel推出的3-D晶體管更是給芯片注入了新的活力，其12年推出的Ivy Bridge就采用了3-D晶體管技術(shù)，大幅度提高了芯片集成度和整體性能。

從芯片制造工藝的角度，線寬從微米級別發(fā)展到納米級別，從05年到13年經(jīng)歷了65納米、45納米、32納米、22納米、14納米工藝，Intel將在15年推出10納米工藝，在17年推出7納米工藝。芯片的頻率也越來越高，功耗越來越大，目前市場上芯片的功率可高達(dá)150w，封裝在很小的空間內(nèi)，對如此高的熱流密度電子芯片進(jìn)行有效的溫度控制是至關(guān)重要的。

2 溫度控制新技術(shù)

2.1 相變溫控技術(shù)

相變溫控技術(shù)就是利用相變材料(Phase Change Material，PCM)的相變過程的吸熱和放熱作用對發(fā)熱芯片的溫度進(jìn)行有效控制。由于PCM的導(dǎo)熱能力普遍較差，在實(shí)際應(yīng)用中需要將PCM封裝在導(dǎo)熱增強(qiáng)體里面，或則在PCM中加入具有高導(dǎo)熱能力的材料以優(yōu)化PCM的導(dǎo)熱性能。同時，PCM也要具有較大的比熱容，與封裝材料要具有較好的兼容性，并且PCM發(fā)生相變時的體積膨脹系數(shù)應(yīng)較小，同時應(yīng)該具有安全無毒、價格低廉、原材料儲備豐富的特點(diǎn)。由于計算機(jī)和微電子產(chǎn)品通常不會總是保持在滿負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)電子產(chǎn)品的功耗瞬時上升時(如：運(yùn)行某個大型軟件)，芯片功耗會迅速增加，其溫度會迅速上升。如果采用相變溫控技術(shù)，當(dāng)芯片的溫度變化到PCM發(fā)生相變的溫度時，PCM就會發(fā)生相變，熱量將存儲在PCM中，同時通過導(dǎo)熱增強(qiáng)體將熱量散發(fā)出去，此時的溫度將不會繼續(xù)上升，芯片的溫度得到有效控制。當(dāng)電子產(chǎn)品的功耗下降時，隨著存儲在PCM中的熱量的散失，PCM將發(fā)生逆向相變。通過這種反復(fù)變化的方式，可以延緩和控制芯片的溫升，防止芯片受到熱沖擊，提高電子產(chǎn)品的運(yùn)行性能和工作可靠性，延長芯片的使用壽命。文獻(xiàn)【2】采用水凝膠進(jìn)行了仿生發(fā)汗冷卻實(shí)驗(yàn)，由于整個設(shè)備無運(yùn)動部件且散熱效果良好，如果開發(fā)成功將取得巨大經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 射流沖擊強(qiáng)化換熱技術(shù)

射流沖擊作用在物體表面時，駐點(diǎn)區(qū)域流體的邊界層由于射流作用會變得很薄，可以在換熱表面的局部產(chǎn)生強(qiáng)烈的換熱效果，具有極高的傳熱效率，在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。日本富士通公司的VP2000超級計算機(jī)就是使用單相液體射流沖擊進(jìn)行溫度控制。就目前來看，在臺式機(jī)和筆記本電腦中采用液體射流沖擊強(qiáng)化換熱的技術(shù)還不成熟。為了保證芯片的安全工作，多采用射流與冷板相結(jié)合的方式。

2.3 液態(tài)金屬散熱技術(shù)

液態(tài)金屬散熱技術(shù)是由我國學(xué)者劉靜于2002年提出的，它是以低熔點(diǎn)的金屬作為冷卻流體進(jìn)行散熱。目前比較理想的金屬材料是鎵或者合金鎵銦等，金屬的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)高于水和空氣，在加上此類金屬在常溫下就呈液態(tài)，如果技術(shù)研究成熟，可以有效解決芯片散熱問題。此項(xiàng)技術(shù)具有散熱能力強(qiáng)、適用廣、裝置無運(yùn)動部件等優(yōu)勢。

2.4 熱管技術(shù)

作為20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的具有特別高的導(dǎo)熱性能的傳熱元件，熱管在航空航天領(lǐng)域中得到應(yīng)用。熱管的工作原理是利用工作液的相變來進(jìn)行熱量的傳遞。熱管工作時不需要動力源，沒有運(yùn)動部件，無噪聲，傳熱能力極強(qiáng)，能在很小的溫差下傳導(dǎo)熱量，可以根據(jù)電子元件的外形設(shè)計出合適的形狀。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，工程師們開始尋找利用熱管技術(shù)給芯片散熱，由于熱管本生只起傳熱作用，熱量的耗散需要與其他散熱方式結(jié)合。目前，平板熱管和風(fēng)扇相結(jié)合的散熱已經(jīng)是筆記本電腦主要的散熱技術(shù)。

2.5 靜電冷卻技術(shù)

靜電冷卻技術(shù)的工作原理是利用靜電高壓使離子束從負(fù)極高速流向正極發(fā)熱體，形成的“離子風(fēng)”可以破壞發(fā)熱體表面的空氣層流邊界層，迫使空氣的流動轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?，同時層流邊界層的破壞也導(dǎo)致了發(fā)熱體與對流物質(zhì)之間溫度梯度的增大，從而達(dá)到提高對流換熱的效果。靜電冷卻技術(shù)的冷卻速度快、無需動力源、無噪聲，耗電少，但因有高壓所以存在不安全因素。目前，國內(nèi)幾乎沒有文獻(xiàn)研究此項(xiàng)技術(shù)，2007年美國普渡大學(xué)的研究員開發(fā)出“離子風(fēng)電機(jī)”，正是利用此項(xiàng)原理將傳熱系數(shù)提升2.5倍。這種“離子風(fēng)電機(jī)”裝置的尺寸為毫米級，極具實(shí)用價值。

3 總結(jié)

隨著芯片工藝進(jìn)入納米級時代，高熱流密度已經(jīng)成為微電子發(fā)展的一個瓶頸，如何對高集成度芯片進(jìn)行溫度控制的問題變得越來越緊迫。傳熱學(xué)已經(jīng)形成了以解決微米-納米尺度范圍的傳熱與流動問題的微米-納米研究方向，各國專家和學(xué)者研制開發(fā)出了新的溫度控制方法，除上述幾種技術(shù)外，還有熱電冷卻技術(shù)、微通道冷卻技術(shù)等。這些技術(shù)不斷走向成熟，為微電子的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社.2006.

[2]胡元辰，張新生，等.利用溫度敏感型水凝膠進(jìn)行仿生發(fā)汗冷卻[J].化工學(xué)報.2012，63(7).

[3]劉靜，周一欣.芯片強(qiáng)化散熱研究新領(lǐng)域-低熔點(diǎn)液體金屬散熱技術(shù)的提出與發(fā)展[J].電子機(jī)械工程.2006，22(6).