淺談對我國半導體制冷器的CPU散熱管理的研究

姜文新

摘要：隨著計算機工業(yè)的迅猛發(fā)展，CUP的運行速度越來越快，發(fā)熱量也越來越高，CPU散熱器發(fā)展迅速。為對CPU散熱器具有更多的認識，本文闡述了CPU的發(fā)展歷程以及CPU散熱器的發(fā)展背景，敘述了CPU散熱器的散熱方式、現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。

關鍵詞：半導體制冷器；CPU散熱管理

1 CPU散熱器的應用背景及研究意義

伴隨著 CPU 性能的不斷提高， 其發(fā)熱量較以前有了大幅度的提高。那么， CPU 的冷卻問題就越來越突出， 據(jù)有關資料顯示， 對于包括 CPU 在內(nèi)的電子設備， 現(xiàn)在的失效問題的 50% 都是由于過熱引起的[2]。早期的 CPU 芯片功率不足 10W， 不需要用散熱器， 上個世紀 90年代中期以后， 隨著CPU 主頻和集成度大幅度提高， CPU 的功率和發(fā)熱量明顯提高， 到 2004年 Inte l公司推出的 P entium 4 主頻為 3. 6GH z的 CPU 功率更是達到 115W。如此大的功率嚴重威脅到CPU 的工作和發(fā)展， 而 CPU 必須借助散熱器才能工作， 雖然In tel在 2006下半年推出酷睿雙核心將功耗降低近一半， 每個核心的功耗只有 30W 至 35W， 與上一代英特爾臺式機處理器產(chǎn)品相比， 英特爾酷睿 2臺式機處理器在提供 1. 4倍的CPU 計算性能同時， 能耗降低了 40% ， 但是對于現(xiàn)在一些四核的 CPU 來說， 功率仍然很高。為適應 CPU 發(fā)展過程中功耗的不斷變化， CPU 散熱器也有了長足的發(fā)展。

2 CPU散熱冷卻方法分類及存在問題

散熱分為被動與主動兩種， 被動散熱是通過散熱片將CPU 產(chǎn)生的熱量自然散發(fā)到空氣中， 其散熱的效果與散熱片的面積成正比， 這種散熱方式簡單且安全可靠， 但散熱效果不理想， 難于適用當前 CPU 散熱的需要； 主動式散熱是利 用風扇或泵體等設備將散熱片上的熱量以強制對流的方式 帶走， 這種散熱方式散熱效率高， 是目前 CPU 散熱的主要方式。

2.1 熱管散熱

熱管制冷運用了熱力學的一條基本原理：當有溫差存在時，熱量必然會從高溫物體傳到低溫物體，或從物體的高溫部分傳至低溫部分。熱管是將一真空金屬管置于散熱片中，內(nèi)置一吸熱芯及沸點很低的液體。工作時，由于溫度升高，一端的液體吸熱汽化，飛速到達管子的另一端，而后因這一端溫度較低，從而放熱液化，并流回去。這樣通過液體在兩態(tài)之間的變化及在管子兩端之間的流動，有效地散去了從芯片吸收的熱量，達到了較好的散熱效果。

熱管散熱存在問題： 如大幅增加散 熱器表面積， 增加了散熱器的體積； 采用導熱率更高的銅鰭 片代替鋁鰭片， 增加了散熱器的質量。這些都制約了風冷 散熱器的發(fā)展為了能進一步降低散熱器的熱阻值提高熱傳導率， 將 工業(yè)中廣泛使用的熱管應用于臺式機 CPU 散熱器上。熱管 是一種高效率利用相變傳熱的熱傳導器， 其熱阻可以達到 每瓦千分之一攝氏度， 傳熱量可以超過 50千瓦[3]。 1984 年在第五屆國際熱管會議上， T. P. Co t te r等人提出微型熱 管和小型熱管 （ MHP ）的理論及展望， 從而引起了熱管在電 子元器件散熱方面的廣泛應用。熱管只是導熱裝置， 其本 身并不具備散熱的作用， 它只能用很快的速度將熱量從一 端傳至另一端， 而最終的散熱還必須依靠金屬材質的底座 與鰭片。在底座與鰭片的材質也就只有這兩種。

2.2半導體制冷

半導體制冷片的工作原理是 P e ltier 效應： 當一塊 N 型 半導體材料和一塊 P 型半導體材料聯(lián)結成電偶對時， 在這 個電路中接通直流電流后， 就能產(chǎn)生能量的轉移， 電流由 N 型元件流向 P型元件的接頭吸收熱量， 成為冷端， 由 P 型元 件流向 N 型元件的接頭釋放熱量， 成為熱端。吸熱和放熱 的大小是通過電流的大小以及半導體材料 N、P 的元件對數(shù) 來決定。該方法很早就已經(jīng)出現(xiàn)， 但始終沒有得到推廣， 近 年來在極其緩慢的增加。雖然半導體制冷的效能非常強 勁， 工作時冷端最低溫度可以達到零下， 但由于同時在熱端 會產(chǎn)生巨大的熱量， 極易損壞， 而且耗電量驚人。有廠商曾 小批量的推出過采用半導體散熱器的顯卡， 但由于返修率 高的問題都沒有大量出貨。

3新型CPU散熱技術的提出

3.1 熱管散熱技術

熱管是一種具有極高導熱性能的新型傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結來傳遞熱量，它利用毛吸作用等流體原理，起到良好的制冷效果。具有極高的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、溫度可控制等特點。將熱管散熱器的基板與晶閘管、igbt、igct等大功率電力電子器件的管芯緊密接觸，可直接將管芯的熱量快速導出。

3.2 微通道散熱技術

微通道熱沉的概念最早由 Tuckerman 和 Peace于 1981 年提出的，它是由具有高導熱系數(shù)的材料構成.根據(jù) Riddle 等 的研究：流量一定時 ，矩形通道中流體總的熱傳導系數(shù)與通道水力直徑成反比 .隨著通道直徑的減小 ，換熱系數(shù)相應增加 ，同時系統(tǒng)的散熱面積與體積比也顯著增加. 因此盡管體積不斷減小，散熱能力反而得到極大的提高.從圖3中可看出 ，兩種具有相同長度和高度的微通道集熱器 ，當微管道寬度為 10 μm 時 ，CPU 溫度為 65℃，而當寬度為100μm 時 ，CPU 溫度則高達85 ℃，顯然寬度越小對散熱越有利 ，因此 ，尺寸因素對微通道散熱器的影響是至關重要的 ，而這又直接影響了CPU 的運行性能.在微通道散熱器領域 ，比較成熟的應屬美國Cooligy 公司推出的產(chǎn)品.其生產(chǎn)的水冷式芯片 ，采用了主動微通道冷卻技術 Active Micro-ChannelCooling ， AMCC .這項新技術中包含 3 個主要部分：微管道集熱器 ，用于傳送具備吸熱功能的液體；散熱器 ，用于將熱量傳導散發(fā)至空氣中；一臺電力動能泵 ，用于推動液體流過微管道集熱器.相對于傳統(tǒng)的水冷 ，AMCC 的技術核心在于兩點：一是微通道集熱器 ，一是無噪聲電動力泵.微通道集熱器相當于水冷頭 ，通過高導熱介質貼覆在核芯表面 ，甚至直接與 CPU 一體化制造.其與核芯接觸部分的內(nèi)表面通過DRIE或LIGA 工藝刻出無數(shù)平行 寬度約為 20～100μm 的微溝槽 ，再經(jīng)鍵合封裝形成封閉的循環(huán)通路 ，而液態(tài)工作介質則沿著這條通路往復流動.因為集熱器的散熱面積 比傳統(tǒng)水冷頭增加了數(shù)百倍 和熱傳導系數(shù)都很大 ，使得核心溫度與液體介質的溫度幾乎持平. 因為 Cooligy的產(chǎn)品采用了電力動能泵和微通道散熱器 ，因而擁有許多杰出的性能 ，諸如散熱性能優(yōu)越 據(jù)其官方網(wǎng)頁的數(shù)據(jù) ，散熱通量甚至可達1000 W/cm2 ，體積小重量輕 ，無噪聲 ，性能穩(wěn)定 ，可靠性高 ，壽命長 ，與芯片的集成性好 ，成本低等. 然而 ，減小微通道的寬度不僅可以增加散熱能力 ，同時也會引起壓力降升高 ，增加微通道的壓力負載及泵的功率.此外 ，微通道的堵塞問題、低雷諾數(shù)下微流體的流動問題都是極需深入探討的.隨著微通道散熱器本身的技術進一步完善 ，這種產(chǎn)品將有更大的發(fā)展?jié)摿褪袌鲂枨?

參考文獻：

[1]基于半導體制冷的小空間控溫除濕系統(tǒng)研究[J]. 楊秀榮，劉媛媛，孟凡良，裴立明. 現(xiàn)代科學儀器. 2017（03）

[2]半導體制冷微型除濕器與化學干燥劑的對比試驗研究[J]. 韓耀明. 制冷. 2017（02）