電子設(shè)備液冷技術(shù)研究進展*

周海峰，邱穎霞，鞠金山，瞿啟云，白一峰，李 磊

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

電子設(shè)備液冷技術(shù)研究進展*

周海峰，邱穎霞，鞠金山，瞿啟云，白一峰，李 磊

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

隨著電子設(shè)備發(fā)熱功率密度的不斷增加，傳統(tǒng)的風(fēng)冷已經(jīng)無法滿足高熱流密度電子設(shè)備的散熱。液冷技術(shù)是通過液冷介質(zhì)與熱源接觸進行熱交換，再由冷卻液體將熱量傳遞出去，具有高換熱系數(shù)、良好的流動性及穩(wěn)定的工作能力，因而成為現(xiàn)代電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的首選。為了進一步適應(yīng)新型電子設(shè)備的高性能、高可靠、低成本的發(fā)展趨勢，液體冷卻方式需要在理論分析和優(yōu)化結(jié)構(gòu)上做進一步的研究。文中首先綜述了幾種常用的液冷技術(shù)的原理、特點、研究動態(tài)和工程應(yīng)用，并提出了液冷技術(shù)發(fā)展的趨勢。

電子設(shè)備；散熱；液冷

引 言

隨著電子元器件技術(shù)和微組裝能力的迅速發(fā)展，電子設(shè)備發(fā)展呈現(xiàn)出高集成化、小型化和高頻化的趨勢，隨之而來的是電子設(shè)備熱流密度的增加，這對設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命提出了很大的挑戰(zhàn)。研究結(jié)果表明，單個半導(dǎo)體元件的溫度每升高10 ℃，系統(tǒng)的可靠性將降低50%[1-2]。因此有效的散熱冷卻方式和良好的冷卻效果是確保電子設(shè)備高可靠、長期運行的基礎(chǔ)，并隨著電子設(shè)備的發(fā)展顯得愈加迫切和重要。

近年來，隨著電子設(shè)備冷卻技術(shù)在工程應(yīng)用和理論研究上的不斷深入，冷卻方式也呈現(xiàn)出多樣化，從傳統(tǒng)的直接自然冷卻、風(fēng)冷和液冷技術(shù)，發(fā)展到熱電制冷、半導(dǎo)體制冷、液態(tài)金屬冷卻、離子風(fēng)冷等新型冷卻技術(shù)。最常用的自然冷卻和風(fēng)冷技術(shù)的散熱能力已經(jīng)達到極限，隨著電子設(shè)備元器件發(fā)熱功率的提高，自然冷卻和風(fēng)冷技術(shù)已不能滿足其散熱要求[3]。新型冷卻技術(shù)雖然在理論上展現(xiàn)出很好的冷卻效果，但是由于這些冷卻技術(shù)大多處于研究開發(fā)階段，其實際的冷卻效果及穩(wěn)定性還有待進一步深入考察。

液冷技術(shù)是通過液冷介質(zhì)與熱源接觸進行熱交換，再由冷卻液體將熱量傳遞出去。液體具有高換熱系數(shù)、良好的流動性及穩(wěn)定的工作能力，這使得液冷技術(shù)成為電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的首選。本文主要論述幾種常用的液冷技術(shù)的研究動態(tài)和熱設(shè)計工程應(yīng)用實例。

1 液冷技術(shù)研究進展

液冷技術(shù)分為直接冷卻和間接冷卻。直接冷卻可以采用直接將電子設(shè)備浸入冷卻介質(zhì)或者電子器件的發(fā)熱部分與冷卻介質(zhì)接觸(如液體噴射冷卻、液體噴霧冷卻)來散熱，受熱升溫的液體介質(zhì)流動到其他低溫部位再將熱量散出去。間接冷卻指熱源不直接與冷卻介質(zhì)接觸，而是通過冷板裝置間接進行熱交換，如循環(huán)管路散熱冷卻、微通道液體冷卻和熱管冷卻。

1.1 液體噴射冷卻

液體噴射冷卻使用噴射器在需要散熱的電子器件表面噴灑冷卻流體，在器件表面形成的一層溫度邊界層有強換熱發(fā)生從而帶走熱量，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通常使用沸點較低的液體(液氮、氟利昂)，具有較高的傳熱速率，并且液體噴射速度很快，因而對電子元器件的冷卻效果非常理想，可以滿足電子元器件持續(xù)增加的發(fā)熱功率對散熱的要求[4]，但是噴流冷卻在熱源表面的不均勻冷卻性也限制了其廣泛應(yīng)用。

圖1 液體噴射冷卻示意圖

1.2 液體噴霧冷卻

液體噴霧冷卻是利用噴嘴噴出的許多微小液滴形成的群體法向猛烈撞擊熱源表面，從而在表面形成一層冷卻液薄膜，隨著液膜的流動或冷卻液遇熱蒸發(fā)帶走熱量，如圖2所示。霧化噴射冷卻換熱效率高，且冷卻均勻，適用于一些對溫度要求很嚴格的領(lǐng)域。尤其是液體噴霧冷卻在對尺寸、重量和性能有嚴格要求的機載電子設(shè)備上具有很強的適用性，適合其液冷系統(tǒng)模塊化設(shè)計，成為未來機載電子設(shè)備冷卻技術(shù)的主要研究方向。如美國EA-6B和全球鷹目前已采用了該冷卻技術(shù)[5]。國內(nèi)關(guān)于液體噴霧冷卻技術(shù)也開展了一些試驗性研究，但實際的工程應(yīng)用還未見報道。

圖2 液體噴霧冷卻示意圖

1.3 循環(huán)管路散熱冷卻

常用的循環(huán)管路散熱冷卻系統(tǒng)水冷系統(tǒng)主要由4個部分組成：冷板、液壓泵、儲液箱和散熱器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示[6]。儲液箱中的冷卻液在泵的作用下通過循環(huán)管路流動至與熱源直接接觸的冷板，吸收并帶走熱源熱量的液體進入散熱器，在降低溫度后重新進入儲液箱，最終再進入泵，從而形成一個完整的循環(huán)。循環(huán)管路散熱冷卻散熱效率高，散熱器件易加工，成本也較低，并得到了廣泛的應(yīng)用。目前，相關(guān)研究主要是通過優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)，結(jié)合計算仿真與試驗測試手段來降低冷卻液流阻，提高散熱效率，減小系統(tǒng)尺寸和質(zhì)量。文獻[7]在進行某機載S形深孔冷板優(yōu)化設(shè)計時，采用冷板雙進、雙回和雙出的流道結(jié)構(gòu)形式來降低流阻，提高散熱效率，試驗結(jié)果表明冷板流阻下降了1/3，最大溫差下降了4.5 ℃。由于彈載平臺封閉空間狹小，針對彈載雷達高熱流密度組件的散熱問題，文獻[8]設(shè)計出結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠的均溫板強迫液冷散熱系統(tǒng)，組件芯片的熱量通過均溫板傳遞至液冷冷板并進行強迫液冷散熱，達到了空空導(dǎo)彈的工作要求和測試要求。

圖3 循環(huán)管路散熱冷卻結(jié)構(gòu)

1.4 微通道液體冷卻

微通道液體冷卻技術(shù)是在硅基板或金屬基板上采用光刻、化學(xué)刻蝕、電火花加工、離子束加工以及鉆石切削等技術(shù)制造出微尺度通道，再經(jīng)鍵合封裝形成封閉的循環(huán)冷卻通道，液體工質(zhì)在通道內(nèi)流過時通過蒸發(fā)或者相變直接將熱量帶走。典型的微通道液體冷卻結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 微通道液體冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

微通道內(nèi)的冷卻介質(zhì)被加熱會迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樘幱诟叨炔环€(wěn)定狀態(tài)的核態(tài)沸騰[9]，具有很大的對流換熱系數(shù)[10]，并且通道內(nèi)換熱面積隨著其數(shù)目的增加而提高數(shù)十倍[11]，另外微通道內(nèi)流體分子滑移現(xiàn)象的存在減少了冷板上的流體阻力。因此，相比于傳統(tǒng)液冷散熱，采用微通道進行冷卻能夠大幅提高散熱能力，使之成為目前液冷領(lǐng)域的一個研究熱點。文獻[12]針對傳統(tǒng)冷卻技術(shù)散熱很難突破100 W/cm2的局限，提出了基于V型槽的微通道冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計，并根據(jù)有限元分析結(jié)果進一步優(yōu)化分歧管的結(jié)構(gòu)位置，使得其散熱能力高達500 W/cm2。文獻[13]報道了微小通道液冷冷板散熱在全數(shù)字陣列模塊冷卻過程的應(yīng)用。該冷卻系統(tǒng)采用冷板流道內(nèi)嵌微小型肋片群形成微小通道的液冷流道結(jié)構(gòu)，通過這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計使得微小通道冷板散熱能力達到常規(guī)蛇形通道冷板的4倍以上，并成功應(yīng)用于某型數(shù)字陣列模塊冷卻。目前微通道傳熱仍然面臨微通道截面積很小、流動阻力大等問題，需要進一步優(yōu)化[14]。

1.5 熱管冷卻

熱管冷卻是利用工質(zhì)的相變來強化換熱，實現(xiàn)高效散熱的目的。圖5為典型的環(huán)路熱管結(jié)構(gòu)示意圖。熱管冷卻系統(tǒng)一般由密閉容器、毛細結(jié)構(gòu)、冷卻介質(zhì)構(gòu)成，其熱量傳遞過程可以分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段3部分。工作原理為處于飽和狀態(tài)的冷卻介質(zhì)儲存于儲液器中，儲液器與電子設(shè)備接觸，冷卻介質(zhì)吸收電子設(shè)備的熱量蒸發(fā)汽化后在微小的壓差下流向溫度較低的冷凝段，釋放熱量之后又凝結(jié)成液體，該液體在毛細力作用下重新回流到儲液器內(nèi)，形成循環(huán)。電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量在冷卻介質(zhì)的一次蒸發(fā)和冷凝后傳遞給了外界環(huán)境，完成了電子設(shè)備的散熱[15]。熱管是一種傳熱效率極高的傳熱器件，它的熱導(dǎo)率比良好的金屬導(dǎo)體大103～106倍，有近超導(dǎo)熱體之稱。與傳統(tǒng)散熱設(shè)備相比，熱管冷卻熱流方向具有高可變性、熱響應(yīng)性和等溫性，可以實現(xiàn)遠距離轉(zhuǎn)移熱量，并且其系統(tǒng)空間尺寸小、重量輕、構(gòu)造簡單。在應(yīng)用熱管傳熱時，主要問題是如何進一步減小熱管兩端接觸界面的熱阻，并且其技術(shù)要求和價格都較高，目前主要應(yīng)用于高端計算機及航天航空領(lǐng)域[10，17-18]。

圖5 環(huán)路熱管結(jié)構(gòu)示意圖

2 液冷技術(shù)發(fā)展趨勢

2.1 優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)以提高散熱效率

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可以大幅提高現(xiàn)有冷卻技術(shù)的散熱效果，也是液冷技術(shù)發(fā)展的重點。文獻[16]針對電子設(shè)備中多核微處理器架構(gòu)需要更高的冷卻劑流量以及數(shù)據(jù)中心熱量消除所需能耗加劇的問題，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計著手，在微通道液體冷卻技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一個新穎的概念即以熱點為目標(biāo)的嵌入式冷卻結(jié)構(gòu)(HT-ELC)，如圖6所示。

圖6 HT-ELC結(jié)構(gòu)示意圖

和傳統(tǒng)的嵌入式微通道液冷技術(shù)相比，HT-ELC從微觀結(jié)構(gòu)上合理地分布熱點冷卻通道，使得“粗化”的背景冷卻通道和節(jié)流區(qū)可以協(xié)同調(diào)節(jié)不同區(qū)域的芯片的液體冷卻劑流量?；谶@個概念進行設(shè)計，通過詳細實驗測量獲得對比結(jié)果，結(jié)果表明在150W/cm2平均穩(wěn)態(tài)熱流核心區(qū)域(熱點)和20W/cm2背景區(qū)域，常規(guī)微通道液體冷卻只能降低4 ℃，而HT-ELC將芯片的溫度降低了10 ℃，表現(xiàn)出高效的冷卻效率。目前，在熱流密度非常高的三維集成電路冷卻系統(tǒng)中采用微流體通道可以有效降低芯片溫度，但是也存在泵送液體導(dǎo)致的高壓下降引起芯片結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。為此，文獻[17]提出了在直通硅晶穿孔技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過跨冷卻層垂直互聯(lián)與芯片上的無線互聯(lián)協(xié)同設(shè)計達到高效的散熱效果及大幅降低泵送液體壓力，實現(xiàn)持續(xù)高效穩(wěn)定地工作[20]。

2.2 新型高效的冷卻介質(zhì)

使用導(dǎo)熱系數(shù)更高的納米流體、液體金屬替代傳統(tǒng)的冷卻介質(zhì)可以提高冷卻能力。納米顆粒與表面活性劑、可溶性添加劑不同，這些1～100 nm尺度范圍的金屬或非金屬顆粒可以形成穩(wěn)定懸浮工作流體，與傳統(tǒng)液體相比，具有無與倫比的優(yōu)勢，如更高的導(dǎo)熱系數(shù)、較大的比表面積、腐蝕輕等優(yōu)點，在性能上完全可以替代目前常規(guī)的冷卻介質(zhì)。Choi和Das的研究表明要使傳熱效率提高2倍，液冷中使用的泵的功率需要增加10倍，而使用納米流體作為冷卻介質(zhì)，在保持原有泵功率的情況下可以將傳熱效率提高近3倍。目前，許多研究人員正在研究多樣化的納米流體及其應(yīng)用，但噴霧冷卻系統(tǒng)中適用的納米流體的研究才剛剛起步，這也是未來研究和開發(fā)的重點[18]。

2.3 混合冷卻協(xié)同

依據(jù)設(shè)備的不同散熱需求采用混合冷卻的設(shè)計方案，達到最佳的冷卻方式組合，最大限度地發(fā)揮液冷系統(tǒng)的散熱性能。文獻[19]開展了芯片的混合冷卻效果評估，在其混合冷卻系統(tǒng)中將液體冷卻系統(tǒng)和蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的優(yōu)點相結(jié)合，采用Al3O2/H2O納米流體作為液冷冷卻介質(zhì)，碳氫化合物作為制冷系統(tǒng)制冷介質(zhì)，并測試了不同環(huán)境下的散熱效果，實驗結(jié)果表明相比于單一的液冷系統(tǒng)和蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)，混合冷卻系統(tǒng)的散熱功率可以提高90 W和280 W。該混合冷卻方式不僅適合芯片冷卻，也可以應(yīng)用于其他高熱流密度電子設(shè)備的冷卻[22]。除了冷卻方式混合能夠取得最佳的冷卻效果，針對不同的冷卻介質(zhì)，通過合理的配比將不同屬性的冷卻介質(zhì)混合也能最大限度地發(fā)揮冷卻協(xié)同的作用。液態(tài)金屬相比于水具有更高的冷卻效率，但過高的價格限制了其廣泛使用，基于此，文獻[20]研究了液態(tài)金屬和水混合的冷卻效果，實驗結(jié)果證實了其高效的散熱效果及合理的成本能夠滿足目前多數(shù)的高熱流密度設(shè)備散熱需求[23]。

3 結(jié)束語

隨著電子設(shè)備發(fā)熱功率密度的不斷增加，傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱方式已不能滿足其散熱需求，換熱效率更高的液體冷卻方式將成為主流。本文概述了幾種現(xiàn)代電子器件冷卻方法的基本原理和研究現(xiàn)狀。為了適應(yīng)新型電子設(shè)備高性能、高可靠、低成本發(fā)展的趨勢，液體冷卻方式需要在優(yōu)化結(jié)構(gòu)和理論分析上做進一步的研究。未來，液體冷卻的研究重點主要包括：1)通過優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)來提高散熱效率；2)使用導(dǎo)熱系數(shù)更高的納米流體、液體金屬替代傳統(tǒng)的冷卻介質(zhì)；3)依據(jù)設(shè)備的不同散熱需求采用混合冷卻的設(shè)計方案，達到最佳的冷卻方式組合，最大限度地發(fā)揮液冷系統(tǒng)的散熱性能。

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周海峰(1983-)，男，工程師，主要從事復(fù)合材料應(yīng)用設(shè)計工作。

Research Development of Liquid CoolingTechniques for Electronic Equipment

ZHOU Hai-feng，QIU Ying-xia，JU Jin-shan，QU Qi-yun，BAI Yi-feng，LI Lei

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

With the power density increase of electronic equipment, traditional air cooling can not meet the heat dissipation requirements of high-heat-flux electronics. Liquid cooling techniques that transfer heat through cooling liquid contacting with heat source present high heat transfer coefficient, good liquidity and stable working ability, and therefore become the first choice of modern electronic equipment cooling system. In order to further accommodate the trend of high performance, high reliability and low cost of new electronic equipment, liquid cooling needs further research on theory analysis and optimizing structure. The paper firstly presents the principles, characteristics, research developments and engineering applications of several common liquid cooling techniques, and then puts forward the development trend of liquid cooling.

electronic equipment; heat dissipation; liquid cooling

2016-04-15

TK124

A

1008-5300(2016)04-0007-04