高密度封裝電子設(shè)備先進(jìn)熱管理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀*

楊建明

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

高密度封裝電子設(shè)備先進(jìn)熱管理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀*

楊建明

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

隨著基礎(chǔ)器件材料、加工工藝以及系統(tǒng)集成的巨大進(jìn)步，軍用電子系統(tǒng)尺寸越來(lái)越小，功率越來(lái)越大，導(dǎo)致熱密度不斷攀升，對(duì)冷卻技術(shù)的要求越來(lái)越高。為提高軍事電子系統(tǒng)的性能和可靠性，減小其體積、重量和功耗，美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局(DARPA)積極將微電子、納米、微流體等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用在軍事電子裝備的熱控中，試圖打破制約裝備發(fā)展的熱瓶頸。文中分芯片、模塊和設(shè)備3個(gè)層級(jí)概述了熱管理技術(shù)途徑，闡述了DARPA熱管理計(jì)劃及其包含的具體項(xiàng)目，根據(jù)最新開(kāi)展的芯片內(nèi)/芯片間增強(qiáng)冷卻(ICECool)項(xiàng)目，指出了熱控技術(shù)的發(fā)展方向。

熱管理；微流體；熱地平；風(fēng)冷換熱器微技術(shù)；納米熱界面；主動(dòng)冷卻模塊；近結(jié)熱傳輸；芯片內(nèi)/芯片間增強(qiáng)冷卻

引 言

軍事電子設(shè)備熱控系統(tǒng)控制軍事電子設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部與外部環(huán)境熱交換過(guò)程，確保軍事電子設(shè)備在各種運(yùn)行狀態(tài)下的溫度處于要求范圍內(nèi)。熱控系統(tǒng)直接影響到電子設(shè)備的工作狀態(tài)、工作性能和工作壽命。隨著高性能固態(tài)電子設(shè)備的持續(xù)小型化以及3D芯片堆棧技術(shù)的發(fā)展，電子器件和系統(tǒng)的組裝密度越來(lái)越高，20世紀(jì)80年代，集成電路熱流密度約為10 W/cm2，90年代則增加到20～30 W/cm2，2008年已接近100 W/cm2[1]，目前芯片級(jí)熱流密度已經(jīng)超過(guò)1 kW/cm2。高熱阻導(dǎo)致先進(jìn)計(jì)算機(jī)、雷達(dá)、激光器和電源等系統(tǒng)中熱管理設(shè)備很重，所占的體積非常龐大，阻礙了系統(tǒng)小型化發(fā)展，同時(shí)，由于受到散熱能力的限制，軍用電子系統(tǒng)的實(shí)際工作能力遠(yuǎn)低于預(yù)期工作效能。

1 高密度封裝電子設(shè)備熱管理技術(shù)

根據(jù)結(jié)構(gòu)組成，高密度組裝電子設(shè)備的冷卻結(jié)構(gòu)可以分為芯片級(jí)、模塊級(jí)和設(shè)備級(jí)，每一層級(jí)的體積、熱流特點(diǎn)和對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)的要求各不相同[2]。

1.1 芯片級(jí)冷卻技術(shù)

芯片冷卻面臨的主要問(wèn)題是芯片體積小、熱流密度集中，冷卻結(jié)構(gòu)尺寸要求較小且必須保證電氣功能安全可靠。同時(shí)，芯片級(jí)冷卻的主要目的是將芯片產(chǎn)生的熱量高效地傳遞到外部熱沉進(jìn)行散失。因此，芯片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須保證散熱性能好、散熱體積小、接觸熱阻小。

在材料選擇方面，芯片級(jí)冷卻技術(shù)主要通過(guò)選擇低熱阻界面材料來(lái)減小高熱流密度條件下的熱阻。熱界面材料包括導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱硅脂、相變材料、導(dǎo)熱彈性體、導(dǎo)熱膠粘劑和低熔點(diǎn)合金等。導(dǎo)熱系數(shù)是衡量熱界面材料的主要參數(shù)，應(yīng)盡可能選擇導(dǎo)熱系數(shù)較高且較軟的薄的熱界面材料，以獲得緊密的表面接觸來(lái)消除熱傳導(dǎo)空隙，使其在厚度方向上溫差相對(duì)較小。

在冷卻通道方面，微通道是一種得到廣泛應(yīng)用的強(qiáng)化冷卻換熱結(jié)構(gòu)。微通道能夠在相同面積的芯片上使通道尺寸更小、數(shù)量更多、總面積更大、單位時(shí)間內(nèi)換熱量更多，因此微通道冷卻能力大大超過(guò)常規(guī)冷卻手段所能達(dá)到的水平，其尺寸也可以在數(shù)微米和數(shù)毫米之間變化。為了解決個(gè)別大功耗處理器的散熱問(wèn)題，微通道冷卻技術(shù)首先在地面大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。IBM、NEC、DEC 等公司在其研制的計(jì)算機(jī)中均采用了MCM 和微通道冷卻系統(tǒng)相結(jié)合的冷卻組件熱管理技術(shù)。

相對(duì)微通道而言，噴霧冷卻充分利用了液體的汽化潛熱，冷卻散熱效果好。噴霧冷卻是相變與對(duì)流換熱的結(jié)合，它通過(guò)噴嘴將霧化后的冷卻介質(zhì)噴到需冷卻的電子元器件表面或?qū)峤M件上，冷卻介質(zhì)吸收熱量汽化后在專用的熱交換器以及儲(chǔ)液裝置內(nèi)冷凝匯集，可循環(huán)使用。隨著MEMS 技術(shù)的發(fā)展，噴嘴尺寸得到了有效的控制，使得噴霧冷卻更加適合芯片級(jí)冷卻換熱。

1.2 模塊級(jí)冷卻技術(shù)

模塊作為芯片冷卻的第一級(jí)熱沉，提供將芯片熱量傳遞到外部環(huán)境的有效通路。因此，模塊冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須保證模塊自身散熱性能較高、傳熱熱阻較小、結(jié)構(gòu)較優(yōu)。

在材料選取上，目前較為先進(jìn)的是由石墨和鋁復(fù)合而成的APG材料，它解決了石墨的脆性和強(qiáng)度問(wèn)題，同時(shí)發(fā)揮了石墨導(dǎo)熱性能高的優(yōu)點(diǎn)。用APG材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁合金材料作為模塊殼體的材料能夠大幅提高模塊的換熱性能，降低模塊上元器件的溫度。

在冷卻通道上，平板熱管能夠有效解決散熱問(wèn)題和減小溫度梯度，通過(guò)降低熱阻而達(dá)到高熱導(dǎo)率，保證熱量快速及時(shí)傳遞。用熱管基板代替金屬基板作為模塊結(jié)構(gòu)件能夠大大強(qiáng)化基板的熱擴(kuò)散，熱板的等溫性也有助于降低熱阻，為模塊散熱提供更加有利的條件。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，相對(duì)單鎖緊機(jī)構(gòu)，雙鎖緊機(jī)構(gòu)在模塊兩側(cè)殼體分別設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)，安裝雙鎖緊裝置。每一側(cè)殼體上產(chǎn)生的熱量通過(guò)自身的鎖緊裝置直接傳導(dǎo)至設(shè)備進(jìn)行散失，傳熱路徑縮短，傳熱熱阻減小，模塊上元器件溫度降低。采用雙鎖緊結(jié)構(gòu)以后，模塊上元器件溫度能降低10 ℃左右。

1.3 設(shè)備級(jí)冷卻技術(shù)

設(shè)備作為芯片冷卻的最終熱沉，必須能將芯片產(chǎn)生并通過(guò)模塊傳遞出來(lái)的熱量最大限度地散失到外部環(huán)境中去。因此，必須保證設(shè)備冷卻結(jié)構(gòu)自身的散熱性能較強(qiáng)、散熱面積較大、散熱效率較高。

設(shè)備級(jí)冷卻可從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)匹配性設(shè)計(jì)和流量分配設(shè)計(jì)進(jìn)行考慮。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)包含對(duì)設(shè)備外形、布局、材料、厚度等各個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于采取自然對(duì)流冷卻散熱的電子設(shè)備，如何協(xié)調(diào)熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，提升其整體散熱效率，從而有效降低芯片的工作溫度，是自然散熱電子設(shè)備的關(guān)鍵。以風(fēng)冷式強(qiáng)迫對(duì)流冷卻散熱的電子設(shè)備為例，系統(tǒng)匹配性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。系統(tǒng)匹配性設(shè)計(jì)包含風(fēng)機(jī)選型、風(fēng)機(jī)安裝、風(fēng)道設(shè)計(jì)等，由于安裝結(jié)構(gòu)的限制，風(fēng)機(jī)特性曲線可能發(fā)生變化。如果風(fēng)機(jī)特性曲線與阻力特性曲線的工況點(diǎn)顯示的風(fēng)量不滿足設(shè)計(jì)要求，則需要選擇其他型號(hào)的風(fēng)機(jī)來(lái)匹配，或設(shè)法降低系統(tǒng)阻力，增加風(fēng)量。

對(duì)于采取強(qiáng)迫對(duì)流冷卻散熱的電子設(shè)備，冷卻介質(zhì)流量分配是影響電子設(shè)備冷卻散熱效果的關(guān)鍵因素。以強(qiáng)迫液體冷卻電子設(shè)備為例，不同模塊的功耗不同，需要的冷卻液流量也不同，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施控制不同模塊通道的流動(dòng)阻力，以保證給不同功耗的模塊分配與其功耗相匹配的冷卻液流量，最大限度地利用液體的散熱能力，保證設(shè)備內(nèi)部溫度均勻，流動(dòng)阻力最小。

2 國(guó)外先進(jìn)熱管理技術(shù)

隨著軍用電子系統(tǒng)對(duì)散熱要求的不斷提高，DARPA于1998年開(kāi)始致力于熱管理技術(shù)，開(kāi)展了“用熱集成電路散熱(HERETIC)”計(jì)劃，用于開(kāi)發(fā)一種使用微型液冷技術(shù)的高集成度、高性能散熱器件。該計(jì)劃研究?jī)?nèi)容涵蓋多個(gè)熱控技術(shù)領(lǐng)域，包括射流沖擊冷卻、熱電制冷、MEMS和熱聲冷卻，為后續(xù)開(kāi)展的“熱管理技術(shù)”計(jì)劃奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，美國(guó)海軍和空軍等也各自在該領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，制定了深入、系統(tǒng)的研究計(jì)劃。如美國(guó)海軍已經(jīng)將T/R組件的近期冷卻目標(biāo)定為1 000 W/cm2，而遠(yuǎn)期目標(biāo)更達(dá)到8 000 W/cm2，進(jìn)入了超高熱流密度范圍。為實(shí)現(xiàn)熱管理技術(shù)的重大突破，DARPA與2008年發(fā)起熱管理技術(shù)計(jì)劃，召集熱封裝、微材料和納米材料領(lǐng)域的科學(xué)家和國(guó)防電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師，在其熱管理技術(shù)(TMT)計(jì)劃中，針對(duì)典型熱耗傳遞鏈路，不斷推進(jìn)在熱地平(TGP)、風(fēng)冷換熱器微技術(shù)(MACE)、納米熱界面(NTI)、主動(dòng)冷卻模塊(ACM)、近結(jié)熱傳輸(NJTT)等技術(shù)領(lǐng)域的研究，并于2012年推出芯片內(nèi)/芯片間增強(qiáng)冷卻(ICECool)研究計(jì)劃，開(kāi)發(fā)更為強(qiáng)大的冷卻技術(shù)，為美國(guó)成指數(shù)發(fā)展的國(guó)防部電子設(shè)備平臺(tái)提供熱管理方案。

2.1 DARPA熱地平(TGP)項(xiàng)目

TGP項(xiàng)目主要是為電子系統(tǒng)和多芯片組件開(kāi)發(fā)薄而輕的高導(dǎo)熱襯底，包括與器件兼容的微納米結(jié)構(gòu)材料，為集成電路板提供改善的散熱和結(jié)構(gòu)支撐能力。TGP項(xiàng)目將熱管與導(dǎo)熱固體相結(jié)合，使用熱膨脹系數(shù)與電子器件匹配的高導(dǎo)熱材料，制造薄而平的熱管。TGP項(xiàng)目的目標(biāo)是將橫向?qū)嵯禂?shù)提高到10 ～20 kW/(m·K)，即比銅材料高25～50倍。TGP項(xiàng)目充分利用真空空間內(nèi)工作流體的蒸發(fā)和冷凝，依靠芯片結(jié)構(gòu)內(nèi)的毛細(xì)力將冷凝物泵回到蒸發(fā)器，通過(guò)這些相變過(guò)程，可以消除襯底上熱負(fù)載產(chǎn)生的熱不均勻性。一些TGP采用納米結(jié)構(gòu)芯，可進(jìn)一步增強(qiáng)液體和熱量的傳輸。TGP薄而輕，其殼體與常用電子設(shè)備材料Si、SiC或鋁的熱膨脹系數(shù)匹配，用于機(jī)載的TGP能夠在13g的加速度下維持導(dǎo)熱性能。

DARPA TGP項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了各具特色的TGP。TGP面積變化范圍為4.5～75 cm2，厚度為1～4 mm。幾乎所有TGP的導(dǎo)熱能力都優(yōu)于金剛石或熱解石墨，有幾種TGP的導(dǎo)熱系數(shù)比商用貨架散熱片的導(dǎo)熱系數(shù)高10 kW/(m·K)，其導(dǎo)熱性能也明顯優(yōu)于商用貨架產(chǎn)品的固體散熱片。

2.2 DARPA風(fēng)冷換熱器微技術(shù)(MACE)項(xiàng)目

風(fēng)冷熱交換器微技術(shù)致力于降低散熱片和環(huán)境之間的熱阻，一方面通過(guò)射流和攪拌的方式提高對(duì)流換熱系數(shù)；另一方面進(jìn)行風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終提高系統(tǒng)的綜合換熱能力。其首要目標(biāo)是將散熱片熱阻控制到5 cm2·K/W，從而將100 W熱源的溫差ΔT在10 cm ×10 cm的尺寸上控制在5 ℃以下。MACE團(tuán)隊(duì)以提高效能因子(散熱量和鼓風(fēng)功耗之比值)為目標(biāo)，在散熱器換熱能力、強(qiáng)迫對(duì)流風(fēng)阻和風(fēng)機(jī)效率之間建立最優(yōu)平衡，通過(guò)改進(jìn)風(fēng)冷系統(tǒng)提高散熱器的冷卻能力，同時(shí)降低能耗。

MACE項(xiàng)目產(chǎn)品與商用貨架散熱片的襯底面積相當(dāng)，但大多數(shù)MACE產(chǎn)品的熱阻要小得多，一些情況下低至一個(gè)數(shù)量級(jí)。在MACE項(xiàng)目中，聯(lián)合技術(shù)研究中心使用了氣動(dòng)優(yōu)化的肋片和流徑， Thermacore公司使用了壓電驅(qū)動(dòng)攪拌器和帶有表面微結(jié)構(gòu)肋片的綜合射流，Honeywell公司使用了由輕薄靜壓腔驅(qū)動(dòng)的微射流，麻省理工學(xué)院使用了3D蒸汽腔、泵和冷凝器的集成單元，雷聲公司使用了集成微通道和射流沖擊。

2.3 納米熱界面(NTI)項(xiàng)目

NTI計(jì)劃研究和填充新型熱界面材料，以大幅降低電子器件與熱擴(kuò)展板/散熱片之間的接觸熱阻。NTI計(jì)劃的主要目標(biāo)是研制出一種能夠兼顧焊接型和環(huán)氧型熱界面材料優(yōu)點(diǎn)的一種柔軟低熱阻(0.01 cm2·K/W)熱界面材料，具有長(zhǎng)期可靠性，且在外場(chǎng)可更換。另外，NTI還能適應(yīng)粗糙、不平整的裝配表面。在DARPA NTI項(xiàng)目中，GE公司使用高貼合度銅納米彈簧，Teledyne公司使用分層焊料和柔性石墨膜，雷聲公司使用多層金屬鍵合材料的多壁碳納米管，佐治亞理工學(xué)院使用開(kāi)放端口、高粘度和高導(dǎo)熱的碳納米管。NTI具有低熱阻和高粘合度特性，因此，熱界面材料既可以提供優(yōu)越的熱性能，又可以在熱循環(huán)過(guò)程中經(jīng)久耐用。

2.4 主動(dòng)冷卻模塊(ACM)項(xiàng)目

ACM項(xiàng)目的主要目的是應(yīng)用創(chuàng)新的熱點(diǎn)材料和冷卻概念，提高ACM的效能因子，并將ACM應(yīng)用于固態(tài)激光器、焦平面探測(cè)器陣列、熱循環(huán)測(cè)試等設(shè)備的冷卻系統(tǒng)。ACM研究團(tuán)隊(duì)的研究分為熱點(diǎn)材料和斯特林(Stirling)電機(jī)2個(gè)方向，這2種方式使用的材料和設(shè)計(jì)方式各不相同。

2.5 近結(jié)熱傳輸(NJTT)項(xiàng)目

NJTT項(xiàng)目采用高導(dǎo)熱襯底以及與器件兼容的轉(zhuǎn)換層，結(jié)合主動(dòng)和被動(dòng)冷卻技術(shù)，降低結(jié)殼熱阻。NJTT的目標(biāo)是提高寬帶復(fù)合半導(dǎo)體晶體管(如GaN HEMT功率放大器)的輸出功率[3]。目前，GaN功率放大器通常生長(zhǎng)在SiC襯底上，與Si襯底和藍(lán)寶石襯底一樣，面臨散熱能力不足的問(wèn)題，導(dǎo)致器件使用時(shí)無(wú)法維持穩(wěn)定的性能。NJTT項(xiàng)目研究晶體管結(jié)附近100 μm區(qū)域的“近結(jié)”熱傳輸，以降低GaN器件中的主要熱阻，在該區(qū)域柵極下外延層的熱流密度甚至超過(guò)了太陽(yáng)表面。NJTT團(tuán)隊(duì)試圖在不改變電氣設(shè)計(jì)條件下尋求熱管理辦法，如利用高導(dǎo)熱材料和液冷辦法，有效地消除高功率GaN功率放大器的熱瓶頸。圖1是一個(gè)典型的HEMT上的NJTT概念設(shè)計(jì)。

圖1 NJTT HEMT概念設(shè)計(jì)示意圖

2.6 芯片內(nèi)/芯片間增強(qiáng)冷卻(ICECool)

隨著電子器件和分系統(tǒng)集成密度的增加以及3D芯片堆棧技術(shù)的商業(yè)化，芯片功率熱耗超過(guò)100 W，局部熱點(diǎn)熱密度超過(guò)1kW/cm2，組件級(jí)熱耗散超過(guò)1 kW/cm3，接近當(dāng)前熱管理計(jì)劃多環(huán)節(jié)散熱鏈路遠(yuǎn)程冷卻方式能力的極限，也難以跟上先進(jìn)硅以及復(fù)合半導(dǎo)體器件性能“摩爾定律”增長(zhǎng)的速度。克服這些障礙需要用微流體直接對(duì)芯片、襯底或組件上的生熱部位進(jìn)行冷卻。利用介電液流對(duì)高功率部件進(jìn)行冷卻的綜合液冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在計(jì)算和RF應(yīng)用(如IBM Power 775超算中心電子復(fù)合體、高集成8 × 8 天線陣列以及SiC基GaN MMIC)中得到了驗(yàn)證。

DARPA于2012年6月發(fā)布了“芯片內(nèi)/芯片間增強(qiáng)冷卻”(ICECool)計(jì)劃第1階段的公告，名為ICECool基礎(chǔ)，探索革命性熱管理技術(shù)，幫助設(shè)計(jì)師大幅削減電子產(chǎn)品的大小、重量和功耗。 2013年2月又發(fā)布了關(guān)于ICECool計(jì)劃第2階段的詳細(xì)信息，名為ICECool應(yīng)用，旨在將芯片內(nèi)/芯片間微流體冷卻技術(shù)和芯片上熱傳導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用到RF MMIC和功能強(qiáng)大的嵌入式計(jì)算板上[4]。圖2～圖4分別為ICECool芯片概念、ICECool計(jì)劃芯片內(nèi)冷卻概念和ICECool計(jì)劃芯片間冷卻概念圖。為實(shí)現(xiàn)ICECool應(yīng)用計(jì)劃的目標(biāo)，DARPA在RF功率放大器和嵌入式高性能計(jì)算2個(gè)技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展研究。技術(shù)領(lǐng)域1將為工作于50 GHz頻率以下的GaN射頻MMIC功放開(kāi)發(fā)微流體冷卻技術(shù)，支撐DARPA射頻寬禁帶半導(dǎo)體(WBGS-RF)、NJTT等已啟動(dòng)計(jì)劃的繼續(xù)發(fā)展，盡量在改善熱性能的同時(shí)不影響芯片的電性能。技術(shù)領(lǐng)域1的性能指標(biāo)(包括熱指標(biāo)、電性能指標(biāo)和可靠性指標(biāo))見(jiàn)表1和表2。技術(shù)領(lǐng)域2將為高性能集成電路(包括CPU、GPU和FPGA)開(kāi)發(fā)微流體技術(shù)，為火控系統(tǒng)、本地?cái)?shù)據(jù)處理與融合或其他體積/重量/功率受限系統(tǒng)提供嵌入式高性能計(jì)算，同時(shí)支撐DARPA嵌入式計(jì)算技術(shù)功效變革(PERFECT)計(jì)劃。技術(shù)領(lǐng)域2的性能指標(biāo)(包括熱指標(biāo)、計(jì)算性能指標(biāo)和可靠性指標(biāo))見(jiàn)表3和表4。

圖2 ICECool芯片概念

圖3 ICECool計(jì)劃芯片內(nèi)冷卻概念

圖4 ICECool計(jì)劃芯片間冷卻概念

熱指標(biāo)第1階段(熱樣機(jī))第2階段(電樣機(jī))MMIC(芯片級(jí))熱密度/(kW·cm-2)>1>1熱密度/(kW·cm-3)>2>2HEMT“熱點(diǎn)”熱密度/(kW·cm-2)>15>15熱流效能因數(shù)/(N·A-1)>20>20

表2 技術(shù)領(lǐng)域1電性能指標(biāo)和可靠性指標(biāo)

表4 技術(shù)領(lǐng)域2計(jì)算性能指標(biāo)和可靠性指標(biāo)

ICECool直接在器件結(jié)下面生成用于冷卻液流動(dòng)的微通道，試圖從源頭上將高頻MMIC功放和嵌入式高性能計(jì)算機(jī)芯片的熱量去除。DARPA期望使用芯片內(nèi)/芯片間的微流體技術(shù)以及片上熱互聯(lián)，使GaN射頻MMIC功放的散熱能力達(dá)到1 kW/cm2的量級(jí)，亞毫米“熱點(diǎn)”HEMT的散熱能力達(dá)到15 kW/cm2的量級(jí)甚至更高，組件級(jí)散熱能力達(dá)到2kW/cm3的量級(jí)，使嵌入式高性能計(jì)算(HPC)的散熱能力達(dá)到1 kW/cm2的量級(jí)，亞毫米宏觀單元熱點(diǎn)散熱能力達(dá)到2 kW/cm2的量級(jí)，芯片堆棧散熱能力達(dá)到5 kW/cm3的量級(jí)。

2016年5月，洛馬公司在ICECool計(jì)劃下使用向芯片底部噴灑微型水滴的微流體技術(shù)對(duì)GaN熱阻進(jìn)行了冷卻，使用的散熱器厚250 μm，長(zhǎng)5 mm，寬2.5 mm，使熱阻降低到了原來(lái)傳統(tǒng)方式的1/4，驗(yàn)證了1 kW/cm2芯片散熱以及30 kW/cm2局部熱點(diǎn)散熱的能力[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

從DARPA“用熱集成電路散熱(HERETIC)”計(jì)劃到熱地平、風(fēng)冷換熱器微技術(shù)、納米熱界面、主動(dòng)冷卻模塊、近結(jié)熱傳輸?shù)葻峁芾砑夹g(shù)項(xiàng)目，再到最新開(kāi)展的芯片內(nèi)/芯片間增強(qiáng)冷卻計(jì)劃，在軍用電子裝備散熱能力增加的外部需求以及熱控技術(shù)進(jìn)步的內(nèi)在能力雙重推動(dòng)下，熱管理技術(shù)將向以下幾個(gè)方向發(fā)展：

1)充分重視熱管理的作用，將熱管理技術(shù)置于與功能設(shè)計(jì)和功率供應(yīng)同等重要的地位；

2)在電子器件功能設(shè)計(jì)階段使用電氣、機(jī)械、熱控協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)；

3)將微流控冷卻直接集成到芯片、襯底和組件結(jié)構(gòu)中，對(duì)熱量源頭進(jìn)行直接冷卻。

[1] 平麗浩, 錢吉裕, 徐德好. 電子裝備熱控新技術(shù)綜述(上)[J]. 電子機(jī)械工程, 2008, 24(1): 1-10.

[2] 田灃, 張婭妮, 邸蘭萍, 等. 高密度組裝電子設(shè)備冷卻技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 電子與封裝, 2014, 14(11): 1-4, 20.

[3] DARPA. Near junction thermal transport (NJTT) [EB/OL].(2010-11-09) [2016-08-10]. https://www.fbo.gov/index?s=opportunity&mode=form&id=dd297be97f637fee6078f24268e8ca97&ab=core&_cview=1.

[4] DARPA. ICECool applications (ICECool Apps) [EB/OL].(2013-02-06) [2016-05-18]. http://www.engineering.uiowa.edu/sites/default/files/files/DARPA-BAA-13-21_Amendment_1_Final_For_Posting_12Feb2013.pdf.

[5] Researchers may have solved the problem of thermal resistance for ics [EB/OL].(2016-05-23)[2016-08-13]. http://www.electronics-cooling.com/2016/05/researchers-may-have-solved-the-problem-of-thermal-resistance-for-ics/.

楊建明(1961-)，男，工程師, 主要從事加工工藝及物資應(yīng)用管理工作。

Development Status of Advanced Thermal Management Technology for High-density Packaged Electronic Equipment

YANG Jian-ming

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

With tremendous progress in the field of fundamental material, processing technology and system integration capability, the military electronic system becomes smaller and smaller and higher and higher in power, which leads to rising thermal flux and critical cooling requirement. DARPA has been actively applying microelectronics, nanotechnology microfluidics and other advanced technologies to thermal control of military electronic equipment so as to improve the system performance and reliability, reduce the size, weight and power of the military electronic system and finally break thermal bottleneck restraining equipment development. In this paper, approaches for thermal management are described from chip, module and equipment. The thermal management program and projects of DARPA are introduced. And the development trend of thermal management technologies is pointed out according to the newly developed ICECool project.

thermal management; microfluidics; TGP; MACE; NTI; ACM; NJTT; ICECool

2016-08-14

TK124

A

1008-5300(2016)05-0020-05