高熱流密度電子設(shè)備液冷技術(shù)研究進(jìn)展

齊文亮， 趙亮， 王婉人， 劉琦

(1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所， 西安 710068； 2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 綿陽(yáng) 621000)

近年來(lái)，電子工業(yè)和半導(dǎo)體技術(shù)以及微組裝能力的快速發(fā)展，高頻化、高集成化以及小型化已經(jīng)成為電子設(shè)備的發(fā)展方向，電子設(shè)備的熱流密已經(jīng)達(dá)到并超過(guò)100 W/cm2，如固體激光器晶體、電阻陣列、GaN功率芯片等[1]。冷卻技術(shù)的研究與應(yīng)用是高熱流電子設(shè)備中一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工作，不僅是為了滿足散熱要求，還要考慮冷卻效率以及冷卻基礎(chǔ)設(shè)施的成本[2]。因此，如何解決電子設(shè)備核心器件的高效散熱是目前亟需解決的問(wèn)題[3]。

被動(dòng)冷卻和主動(dòng)冷卻是電子設(shè)備兩種重要的散熱方式。被動(dòng)冷卻如自然對(duì)流冷卻、熱電冷卻、熱管和基于相變的冷卻不需要任何外部能量除去電子設(shè)備內(nèi)部的熱量。自然對(duì)流冷卻通過(guò)擴(kuò)大換熱表面積可以進(jìn)一步提高散熱能力[4]，但其散熱極限僅為15 W/cm2。熱管以其卓越的熱性能和高可靠性被廣泛應(yīng)用于臺(tái)式電腦、筆記本電腦、手機(jī)和發(fā)光二極管模塊等常見的低功耗消費(fèi)類電子設(shè)備[5]，應(yīng)用于高熱流密度的高溫?zé)峁艿难芯窟€不夠充分，目前還處于基礎(chǔ)理論研究階段[6]。熱電制冷由于具備能效高、免維護(hù)和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、可穿戴和植入設(shè)備等低功率電子設(shè)備，受制于熱電材料等核心技術(shù)的發(fā)展，熱電制冷還尚未應(yīng)用在高熱流密度電子設(shè)備中[7-8]。較低的導(dǎo)熱性、流動(dòng)不穩(wěn)定性等限制了相變冷卻的應(yīng)用范圍[9]。研究人員設(shè)計(jì)了重力驅(qū)動(dòng)自然對(duì)流與相變耦合的散熱系統(tǒng)來(lái)提高大功率電力設(shè)備的散熱能力，但冷卻能力依然十分有限[10]。被動(dòng)冷卻由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在低功耗電子設(shè)備散熱得到了廣泛的應(yīng)用，但不能有效且不足以應(yīng)對(duì)電子元件不斷增加的熱通量需求。

主動(dòng)冷卻應(yīng)用外部能量從電子設(shè)備中快速除去熱量，提供了更高的冷卻能力。強(qiáng)迫風(fēng)冷、微通道冷卻、噴霧冷卻、射流冷卻、浸沒(méi)式冷卻等都屬于這一類。與自然對(duì)流相比，強(qiáng)迫風(fēng)冷通過(guò)風(fēng)扇增強(qiáng)空氣對(duì)流的方式可以達(dá)到35 W/cm2的散熱能力，但還不能滿足電子設(shè)備散熱需求[11]。最新的研究表明在芯片內(nèi)集成微通道結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)熱流密度高達(dá)1 723 W/cm2的散熱[12]，使得微通道技術(shù)有望成為未來(lái)散熱技術(shù)的首要選擇。噴霧和射流冷卻在電子設(shè)備散熱領(lǐng)域有著小范圍的應(yīng)用[13]，也在不斷嘗試擴(kuò)大應(yīng)用范圍，目前水和氟化物的冷卻能力分別超過(guò)了1 000 W/cm2和100 W/cm2[14]。浸沒(méi)式液冷技術(shù)是目前商業(yè)應(yīng)用最廣的液冷技術(shù)，已經(jīng)在大型數(shù)據(jù)中心得到成熟的應(yīng)用[15]。綜上可以看出，解決高熱流密度電子設(shè)備散熱的首選是液冷技術(shù)[16]。

電子設(shè)備的液冷技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)從基礎(chǔ)理論逐步過(guò)渡到實(shí)際應(yīng)用。微通道和浸沒(méi)式液冷技術(shù)應(yīng)用得最成熟、最廣泛[17-18]。射流和噴霧冷卻盡管設(shè)備整體要求較嚴(yán)格，但還是在一定范圍內(nèi)得到了成熟的應(yīng)用[19-20]。去離子水是液冷技術(shù)應(yīng)用最多的冷卻液，但是水的工作溫區(qū)有限，較差的電絕緣性也限制了整個(gè)水冷技術(shù)的發(fā)展。采用新型冷卻液(如納米流體、液態(tài)金屬等)取代傳統(tǒng)的以水為代表的冷卻工質(zhì)打破了傳統(tǒng)冷卻技術(shù)的能力極限，但仍然存在很多不足[21]。因此，本文中主要討論電子設(shè)備液冷技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其最新研究進(jìn)展，簡(jiǎn)單介紹微通道冷卻、噴霧冷卻、射流冷卻、浸沒(méi)式冷卻等技術(shù)的工作原理，詳細(xì)分析每種液冷技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及存在的問(wèn)題。從芯片內(nèi)部熱源散熱、局部強(qiáng)化換熱、換熱表面強(qiáng)化技術(shù)、新型冷卻介質(zhì)以及混合協(xié)同冷卻等幾個(gè)方面來(lái)討論電子設(shè)備液冷技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，指出研究的難點(diǎn)。最后展望未來(lái)電子設(shè)備液冷技術(shù)的研究方向。

1 液冷技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 微通道冷卻

Tuckerman等[22]采用寬度和深度分別為50 μm和300 μm的水冷微通道實(shí)現(xiàn)了熱流密度為790 W/cm2環(huán)境下的散熱，并提出了微通道的概念。與常規(guī)槽道冷卻相比，微通道的尺寸較小(通常在10～200 μm)，但其散熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)槽道冷卻。這主要得益于微通道的通道數(shù)量更多、在相同散熱條件下的有效散熱面積更大，因此單位時(shí)間內(nèi)換熱量更大。圖1所示為微通道結(jié)構(gòu)示意圖[23]，圖2所示為微通道在芯片散熱方面的應(yīng)用[24]。

圖1 微通道換熱器結(jié)構(gòu)[23]Fig.1 Microchannel heat exchanger structure[23]

圖2 微通道冷卻技術(shù)的應(yīng)用[24]Fig.2 Application of microchannel cooling technology[24]

微通道的水力直徑較小，因此沿冷卻路徑的壓降特別重要，因?yàn)樗c流體的質(zhì)量流率有關(guān)，同時(shí)決定微通道換熱效率。隨著質(zhì)量流率的增加，流道的沿程壓降將會(huì)降低，需要利用額外的泵功耗來(lái)彌補(bǔ)增加的壓力損失，或者承受效率的降低[25]。為了提高散熱能力同時(shí)保證壓降損失維持在較小范圍內(nèi)，研究人員進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)增加換熱面積，目前的流道結(jié)構(gòu)主要有波浪形、肋槽道、梯形、三角形、漸擴(kuò)漸縮形、分歧結(jié)構(gòu)以及雙層或多層等[26]。但這些優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)依然存在流道阻塞，并引起局部壓降和溫度損失過(guò)大等問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)增加泵的輸出功率。研究人員從自然界的仿生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)獲得靈感，設(shè)計(jì)了雪花狀、蜘蛛網(wǎng)狀、蜂巢狀、葉脈狀等多種仿生拓?fù)湮⑼ǖ?，研究發(fā)現(xiàn)圖3所示蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的微通道整體性能最好，不僅換熱面積較大而且流體流動(dòng)性較好[23]。

圖3 仿生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖[23]Fig.3 Schematic diagram of bionic topology[23]

微通道液體冷卻系統(tǒng)大致可以分為單相系統(tǒng)和兩相系統(tǒng)。單相冷卻系統(tǒng)中，冷卻液在微通道內(nèi)始終保持液體狀態(tài)，通過(guò)對(duì)換熱壁面微結(jié)構(gòu)的處理，目前可以達(dá)到300 W/cm2的散熱能力[27]。在兩相冷卻系統(tǒng)中冷卻液可以轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵猓蚨憩F(xiàn)出更高的換熱能力、更加均勻的表面溫度分布，同時(shí)蒸氣的存在使得泵能夠輸出更低的功率，達(dá)到了換熱性和流動(dòng)性都提升的效果。但是兩相冷卻系統(tǒng)核心問(wèn)題是如何確定最佳的氣液比。氣泡生成并阻塞通道導(dǎo)致冷卻液流動(dòng)不穩(wěn)定，也會(huì)產(chǎn)生逆流等現(xiàn)象，這些都直接影響換熱效果，同時(shí)也帶來(lái)了溫度隨機(jī)波動(dòng)等問(wèn)題[28]。微通道目前采用最多的是水、水/乙二醇混合物、氟化物和納米流體等，也有部分研究涉及液態(tài)金屬和超臨界CO2。研究人員圍繞納米流體進(jìn)行了大量的研究[29-32]。納米流體內(nèi)微粒的大小以及體積濃度對(duì)整體換熱效果會(huì)有很大的影響，較大的體積濃度必然產(chǎn)生微通道堵塞，引起溫度分布不均勻等問(wèn)題。因此還需要確定最佳的體積濃度，進(jìn)一步量化納米流體對(duì)換熱效果的影響。

1.2 噴霧冷卻

圖4為噴霧冷卻的原理圖。從中可以看出冷卻液從噴嘴噴出后，形成大量的小液滴，隨即噴到電子設(shè)備熱表面上，在熱源表面形成液膜并進(jìn)行強(qiáng)烈的熱交換后吸收熱源的熱量，隨著液膜流動(dòng)或者蒸發(fā)將吸收的熱量帶走，隨后在循環(huán)系統(tǒng)的熱交換器內(nèi)冷凝匯集。除去較高的冷卻能力，噴霧冷卻還可以在較少液體存量的情況下實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制，同時(shí)在整個(gè)噴霧覆蓋的表面上形成均勻的溫度分布[11]。實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)控制加熱表面和冷卻劑流動(dòng)以及忽略熱管理系統(tǒng)從而獲得了最大的熱通量(1 200 W/cm2[33])，但在實(shí)際工程中很難達(dá)到此臨界熱通量。

圖4 液體噴霧冷卻原理[19]Fig.4 Schematic view of the spray cooling process[19]

影響噴霧冷卻效果的因素主要分為四類：霧化特性(噴霧流量、速度、角度和液滴直徑等)、表面特性(表面粗糙度、尺寸大小、幾何形狀和表面涂層)、液體特性(流體性質(zhì)、添加劑和納米流體等)及其外部環(huán)境特性(非冷凝性氣體和微重力等)[34]。噴霧冷卻與微通道冷卻相比換熱機(jī)理更加復(fù)雜，整個(gè)換熱系統(tǒng)很難做到緊湊化、小型化，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)良好的霧化效果，噴嘴的壓力普遍偏大，容易引起可靠性問(wèn)題。通過(guò)改變表面結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)噴霧冷卻是一種有效且低成本的方法，該方法得益于局部冷卻效率的提高[35]。目前噴霧冷卻液使用最多的是水，同時(shí)也根據(jù)冷卻裝置的使用情況選用不同的介電冷卻液[36]。盡管相比于傳統(tǒng)冷卻液，納米流體已經(jīng)表現(xiàn)出很好的冷卻效果，但很少系統(tǒng)研究納米流體在噴霧冷卻換熱方面的應(yīng)用效果。納米顆粒的懸浮特性，使其很容易沉積在冷熱交替的固體表面，從而增加了傳熱熱阻，同時(shí)也容易造成噴嘴堵塞。納米流體在噴霧冷卻方面的研究目前還集中于傳熱機(jī)理和傳熱模型，在應(yīng)用層面的研究還需再進(jìn)一步加強(qiáng)[37]。

1.3 射流冷卻

射流冷卻的工作原理為高速射流在熱源表面形成很薄的液膜并進(jìn)行強(qiáng)烈的熱交換，同時(shí)射流本身帶來(lái)局部強(qiáng)烈的對(duì)流換熱也增強(qiáng)了射流冷卻換熱的能力。與噴霧冷卻均勻散熱不同，射流冷卻在撞擊點(diǎn)周圍能夠?qū)崿F(xiàn)極強(qiáng)的換熱效果，能夠有效解決局部熱量集中區(qū)域的散熱問(wèn)題。射流冷卻可以分為自由射流和浸沒(méi)射流。自由射流是冷卻液沖擊暴露在空氣中的電子設(shè)備表面進(jìn)而實(shí)現(xiàn)換熱；浸沒(méi)射流是電子設(shè)備沉浸在冷卻液中，通過(guò)冷卻液沖擊換熱表面增加周圍冷卻液的流動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)化換熱。浸沒(méi)射流冷卻與浸沒(méi)式冷卻具有相同的傳熱機(jī)理，是浸沒(méi)式冷卻的升級(jí)版本[38]。因此，影響浸沒(méi)式冷卻的因素也同樣影響浸沒(méi)射流冷卻，相對(duì)而言浸沒(méi)射流冷卻的冷卻效果更加明顯。

研究人員通過(guò)增加射流湍流程度(改變噴嘴結(jié)構(gòu)、增加噴射速度)，換熱表面增加涂層(親/疏水表面處理)，改變表面結(jié)構(gòu)(如樹枝狀、翅片、溝槽、多孔和微凹腔結(jié)構(gòu)[39])等方法來(lái)提高熱導(dǎo)率，提高冷卻效果。研究發(fā)現(xiàn)液滴以一定頻率連續(xù)撞擊表面的冷卻方式具有更好的冷卻效果，最大熱通量達(dá)到170 W/cm2[40-41]。已有的研究射流冷卻都集中于冷卻電子設(shè)備或芯片的上表面。除此之外，不同形狀的電子設(shè)備也會(huì)使得上表面的面積很小，單純冷卻上表面并不能達(dá)到合理的冷卻效果。Wu等[42]對(duì)三種不同形式的射流冷卻方式(圖5)進(jìn)行了理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的對(duì)比，結(jié)果表明在受限空間內(nèi)射流體冷卻會(huì)獲得最佳的散熱效果。

圖5 三種不同形式的射流冷卻[42]Fig.5 Schematic diagram of three different impingement jets cooling[42]

值得注意的是，射流冷卻只適用于電子設(shè)備的局部換熱，單個(gè)噴嘴會(huì)導(dǎo)致冷卻區(qū)域的表面溫度不均勻。為實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備均勻散熱，研究人員也進(jìn)行了移動(dòng)式射流冷卻的研究[43]。盡管移動(dòng)射流可以有效減小液膜厚度，同時(shí)增大換熱速率，但整個(gè)冷卻系統(tǒng)卻更加復(fù)雜，因此對(duì)于較寬的表面，應(yīng)采取多噴嘴陣列布置策略，提升整個(gè)表面的換熱系數(shù)，使得溫度分布更加合理[44]。采用多噴嘴陣列冷卻時(shí)要合理的選擇每個(gè)噴嘴的類型，同時(shí)根據(jù)換熱表面的溫度分布合理控制每個(gè)噴嘴的流量。但多噴嘴陣列式的冷卻方式存在射流單元間的流動(dòng)干擾等問(wèn)題，使換熱環(huán)境更為復(fù)雜，同時(shí)也降低了整體換熱效果。從電子設(shè)備安全可靠角度考慮，噴射壓力也不能較大[1]。深入了解多噴嘴射流冷卻的控制機(jī)制對(duì)冷卻效果至關(guān)重要[45]。研究人員已經(jīng)將納米流體應(yīng)用于電子設(shè)備射流冷卻，但在某些環(huán)境下具有高體積濃度的納米流體并不能提高換熱能力[46]。

1.4 浸沒(méi)式冷卻

浸沒(méi)式冷卻是一種被動(dòng)全液體冷卻技術(shù)，其中電子設(shè)備完全浸入冷卻工質(zhì)中[47]。對(duì)于單相浸沒(méi)式系統(tǒng)，換熱過(guò)程中冷卻液始終保持液態(tài)，通過(guò)系統(tǒng)循環(huán)實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備散熱。對(duì)于兩相浸沒(méi)式系統(tǒng)，冷卻液溫度升高到飽和溫度以上時(shí)會(huì)引起冷卻液沸騰，產(chǎn)生的氣泡引起流動(dòng)混合，通過(guò)對(duì)流換熱來(lái)實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備冷卻[48]。圖6為帶有蒸氣腔的封閉兩相浸沒(méi)式液冷示意圖，在加熱表面形成的氣泡上升到介電液上方的蒸氣腔，然后通過(guò)風(fēng)冷換熱器冷凝釋放熱量。相對(duì)于封閉浸沒(méi)式液冷，開放浸沒(méi)式液冷主要的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有封閉的外殼，提高了整體設(shè)備的可靠性，同時(shí)減少了系統(tǒng)維護(hù)的成本[49]。表面特性、臨界熱通量增強(qiáng)、傳熱關(guān)聯(lián)式和綜合性能等方面的基礎(chǔ)研究極大推進(jìn)了浸沒(méi)式液冷技術(shù)的應(yīng)用[50]。浸沒(méi)式液冷提供了在運(yùn)行溫度均勻情況下提高可靠性的機(jī)會(huì)，因?yàn)樗畲蟪潭鹊販p少運(yùn)行中常見的問(wèn)題：系統(tǒng)過(guò)熱和溫度波動(dòng)、風(fēng)扇故障、噪聲、灰塵、空氣質(zhì)量、腐蝕、電化學(xué)遷移等。這些優(yōu)點(diǎn)使得電子設(shè)備液冷技術(shù)中浸沒(méi)式液冷應(yīng)用的最廣泛，商業(yè)化程度最高，已經(jīng)成功應(yīng)用于整體發(fā)熱功率較大且控溫需求一致性較高的散熱系統(tǒng)[51-52]。

圖6 浸沒(méi)式液冷技術(shù)Fig.6 Immersion liquid cooling technology

浸沒(méi)式冷卻分為間接浸沒(méi)式和直接浸沒(méi)式。間接浸沒(méi)式冷卻中電子設(shè)備與冷卻液通過(guò)熱界面材料隔離。熱量先傳到熱界面材料然后在傳至冷卻液中。間接浸沒(méi)式液冷的最大好處是可以靈活地選擇冷卻液，但熱界面材料的導(dǎo)熱率是限制其冷卻性能的最大弊端。直接浸沒(méi)式冷卻缺少了熱界面材料，熱量可以直接傳遞到冷卻液，但最大的弊端就是電兼容性。為了保證設(shè)備穩(wěn)定工作，冷卻液只能選擇介電液。但是與水相比，介電液呈現(xiàn)較差的熱屬性，這就使得浸沒(méi)式液冷的冷卻能力受到限制。大氣環(huán)境下介電液最大熱流量為48 W/cm2，而水的最大熱流量為202 W/cm2[55]。盡管有如此，采用介電液作為冷卻液的冷卻能力依然高于回路熱管冷卻系統(tǒng)的冷卻能力。然而，相對(duì)于主動(dòng)液體冷卻策略而言，此熱通量值范圍仍然較差。

該領(lǐng)域最新的研究都集中于換熱表面增強(qiáng)對(duì)傳熱特性的影響[47,56]。微/納米表面結(jié)構(gòu)(納米涂層、多孔表面、斜翅微通道)通過(guò)改變表面屬性增大毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力，流體在驅(qū)動(dòng)力作用下潤(rùn)濕壁面，阻止在表面形成蒸汽薄膜，進(jìn)而影響換熱效果[57]。目前浸沒(méi)式液冷技術(shù)發(fā)展的最大爭(zhēng)議就是其可靠性，諸如電子設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間浸沒(méi)在冷卻液里是否會(huì)出現(xiàn)腐蝕情況進(jìn)而影響功能和性能，如何延長(zhǎng)使用壽命等[58]。最新的研究表明流體中增加固體顆?？梢愿纳茡Q熱屬性，含有納米流體冷卻液的兩相傳熱機(jī)理和傳熱關(guān)聯(lián)式以及與電子設(shè)備的兼容性還需進(jìn)一步研究[59]。

2 液冷技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 微通道直接集成到芯片內(nèi)部

五十多年來(lái)摩爾定律一直是電子設(shè)備發(fā)展的指導(dǎo)原則，但目前隨著先進(jìn)制程的進(jìn)一步縮小，摩爾定律的發(fā)展進(jìn)入了后摩爾時(shí)代。晶體管器件的單片堆疊等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的提出使得摩爾定律在“另類”層面得以繼續(xù)發(fā)展。2.5D、3D等先進(jìn)制造已經(jīng)可以將不同的芯片通過(guò)互聯(lián)技術(shù)封裝成更靈活的可擴(kuò)展芯片組。這就使得芯片內(nèi)部熱源疊加，立體封裝造成芯片中間熱量無(wú)法傳導(dǎo)出。研究人員提出在器件內(nèi)部熱點(diǎn)區(qū)增加硅片通道密度，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了有效的溫度控制[60]。然而，面對(duì)熱流密度更大的芯片研究人員提出在堆疊芯片內(nèi)部使用嵌入式微通道使冷卻液直接進(jìn)入器件內(nèi)部減少傳熱路徑以此來(lái)解決高功耗器件的散熱問(wèn)題[61]。

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)發(fā)布的“芯片內(nèi)/芯片間增強(qiáng)冷卻”(ICECool)計(jì)劃主要目的是將微通道技術(shù)應(yīng)用到高性能計(jì)算機(jī)內(nèi)，解決超級(jí)計(jì)算機(jī)高效散熱問(wèn)題[62]。中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十九研究所在微流道散熱領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，目前正在進(jìn)行第三代散熱技術(shù)嵌入式微流道散熱研究，如圖7所示。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院最新的研究表明將微通道直接嵌入到芯片內(nèi)部的散熱方式，可以使冷卻性能提高了幾個(gè)量級(jí)，達(dá)到了1 723 W/cm2[12]。

圖7 芯片級(jí)散熱技術(shù)發(fā)展Fig.7 The development chip cooling technology

盡管還需要對(duì)嵌入式微流道系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試，但下一代微通道散熱技術(shù)“微槽群復(fù)合相變散熱概念”已經(jīng)提出，但這部分研究還處于起步和摸索階段。微通道直接集成技術(shù)成熟度需要進(jìn)一步提升，目前遇到如下問(wèn)題。

(1)微流道尺度較小，易受到顆粒阻塞。

(2)兩相微通道由于沸騰產(chǎn)生的氣泡能夠帶來(lái)“氣塞”和“返流”現(xiàn)象，這會(huì)帶來(lái)通道流動(dòng)不穩(wěn)定引起傳熱惡化的問(wèn)題。

(3)硅基微流道散熱能力強(qiáng)，但脆性大，結(jié)構(gòu)可靠性差，優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)以提高整個(gè)微流道冷卻系統(tǒng)的可靠性是目前需要研究并解決的關(guān)鍵問(wèn)題[63]。

2.2 局部高熱流密度散熱技術(shù)

晶體管器件的單片堆疊不僅可以提供更高的組裝密度，還可以顯著提高電子設(shè)備的功能和性能，從而推動(dòng)摩爾定律發(fā)展。但這樣勢(shì)必會(huì)帶來(lái)印制板芯片區(qū)域局部熱密度超過(guò)1 kW/cm2，與印制板其他部分存在不同量級(jí)的散熱需求[61]。如果對(duì)整個(gè)器件進(jìn)行整體散熱會(huì)帶來(lái)冷卻資源的浪費(fèi)，因此如何在有限資源條件下實(shí)現(xiàn)局部高熱流密度的快速散熱是冷卻技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。

從前文介紹可以看出射流冷卻技術(shù)能夠有效解決局部高熱流密度區(qū)域的快速散熱問(wèn)題，是解決大功率器件集中散熱方向最具有發(fā)展前景的液冷技術(shù)[64]。美國(guó)在射流冷卻方面取得了很大的成功，已經(jīng)將該技術(shù)成功應(yīng)用于超級(jí)計(jì)算機(jī)芯片級(jí)的集中散熱[65]，同時(shí)也研制出嵌入式電子設(shè)備的射流冷卻系統(tǒng)[13]。洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司(Lockheed Martin Space Systems Company，LMT)在ICECool計(jì)劃支持下通過(guò)微型水滴的射流實(shí)現(xiàn)了芯片局部1 kW/cm2熱點(diǎn)的散熱能力[61]。

微通道直接集成到芯片內(nèi)部進(jìn)行散熱也是局部高熱流密度散熱技術(shù)的一種方式。國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了芯片級(jí)的微通道散熱，中國(guó)真正意義上的面向芯片級(jí)的微通道散熱技術(shù)還未見報(bào)道。IBM通過(guò)在發(fā)熱芯片上布置水冷板實(shí)現(xiàn)了針對(duì)服務(wù)器芯片的集中散熱，如圖8所示。中國(guó)部分研究機(jī)構(gòu)通過(guò)槽道與微通道組合的復(fù)合式冷板實(shí)現(xiàn)了熱流密度為50 W/cm2的模塊局部高熱點(diǎn)散熱，但該組合通道散熱模式還沒(méi)辦法實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)的散熱。

圖8 水冷IBM服務(wù)器[66]Fig.8 Water cooled IBM server[66]

浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)盡管能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)級(jí)均勻散熱，但由于電子設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)在局部形成流動(dòng)死區(qū)并導(dǎo)致該區(qū)域溫度過(guò)高。英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)在受限空間內(nèi)合理布置舌片結(jié)構(gòu)解決了電子設(shè)備局部流動(dòng)死區(qū)導(dǎo)致熱流密度過(guò)大的問(wèn)題[67]。這也表明對(duì)于噴霧和浸沒(méi)式這種系統(tǒng)級(jí)的散熱技術(shù)通過(guò)器件結(jié)構(gòu)的改變也能實(shí)現(xiàn)局部高效的換熱[68]。

2.3 換熱表面強(qiáng)化以提高散熱效率

研究表明換熱表面強(qiáng)化技術(shù)能有效提高現(xiàn)有液冷技術(shù)的換熱能力，該領(lǐng)域的最新研究集中于表面增強(qiáng)對(duì)傳熱特性的影響[56]。對(duì)于單相液冷，表面強(qiáng)化結(jié)構(gòu)可以增加流體擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)較高的換熱能力和較好的溫度均勻性；對(duì)于兩相液冷，合理的表面強(qiáng)化會(huì)促進(jìn)冷卻液?jiǎn)蜗喙r向兩相工況轉(zhuǎn)變，降低相變所需的過(guò)熱度。表面強(qiáng)化可以在多種尺度上實(shí)現(xiàn)，包括宏觀、微觀和納米尺度，以及至少兩到三種的組合表面。表面改性包括但不限于鰭/微鰭、多孔/微孔結(jié)構(gòu)、粗糙表面、微腔、納米管、納米纖維和納米顆粒沉積等。這些表面改性的方法可以通過(guò)改變表面粗糙度和接觸角來(lái)提高接觸面積，提高氣泡生成頻率，提供更活躍的成核部位和/或改善毛細(xì)管的影響，提高傳熱的性能[50]。

表面強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)在微通道和浸沒(méi)式液冷技術(shù)中得到了較好的應(yīng)用。通過(guò)主動(dòng)強(qiáng)化技術(shù)(需要外部動(dòng)力，如機(jī)械混合，抽吸，噴射)強(qiáng)化核態(tài)沸騰的成本較高，且難以在結(jié)構(gòu)緊湊的腔體內(nèi)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)針對(duì)換熱表面的被動(dòng)強(qiáng)化技術(shù)是一種有效的方法。Liter等[69]提出了氣液流動(dòng)分離通道的概念，通過(guò)表面微結(jié)構(gòu)使液體和氣體分開流動(dòng)，不存在氣液逆流的現(xiàn)象。張?zhí)韀64]設(shè)計(jì)的帶蒸汽腔的Ω型平行微槽道避免了氣塞和返流，消除了流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定問(wèn)題。圖9所示的兩種液體供給方式作為射流概念被提出來(lái)，目前最大臨界熱流密度可以達(dá)到805 W/cm2[70]。略微復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)也可以在沒(méi)有射流產(chǎn)生系統(tǒng)的幫助下在浸沒(méi)式液冷中產(chǎn)生浸沒(méi)射流進(jìn)而提高換熱能力。射流冷卻的換熱能力也通過(guò)在換熱表面采用不同形狀的肋柱/肋片結(jié)構(gòu)得到了強(qiáng)化。陣列式射流與局部表面強(qiáng)化技術(shù)的結(jié)合明顯改善了射流冷卻只能局部冷卻的劣勢(shì)，在熱源表面形成均勻的液膜，實(shí)現(xiàn)了均勻散熱的目標(biāo)，并將熱源表面溫差縮小至5～12 K[71]。

圖9 帶有多孔涂層的微通道示意圖[69]Fig.9 The schematic diagram of microchannel with porous coating[69]

盡管表面強(qiáng)化技術(shù)可以有效提高每種液冷技術(shù)的換熱效率，但依然面臨下面一些問(wèn)題。

(1)表面強(qiáng)化有利于核沸騰，能有效提高浸沒(méi)式液冷的換熱能力，但對(duì)于微通道而言流動(dòng)的不穩(wěn)定性會(huì)造成微通道內(nèi)溫度波動(dòng)不利于換熱[72]。

(2)流體中增加固體顆?？梢愿纳茡Q熱屬性，但每種納米顆粒都有合適的濃度，超過(guò)臨界值并不利于沸騰換熱性能的增強(qiáng)。含有納米流體冷卻液的兩相傳熱機(jī)理和傳熱關(guān)聯(lián)式還需進(jìn)一步研究[59]。

(3)受限射流沸騰冷卻的表面粗糙度研究相對(duì)較少[50]。

2.4 新型高效的冷卻介質(zhì)

目前電子設(shè)備冷卻液主要為水溶性液體、碳氟化合物和電介質(zhì)流體等。水溶性液體不具備絕緣特性，不能直接接觸電子設(shè)備，這就增加了整個(gè)冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜度。電介質(zhì)流體雖然可以有效解決電絕緣問(wèn)題，但其換熱能力較低。納米流體表現(xiàn)出的強(qiáng)換熱特性使得其成為目前研究的熱點(diǎn)[73]。基于碳的納米流體本身的疏水性使其無(wú)法分散在極性液體(水)中，導(dǎo)致穩(wěn)定性較差。氧化物納米顆粒是目前研究最廣泛的，主要因?yàn)槠浔旧砭邆涓叻€(wěn)定性、低成本和良好的導(dǎo)熱特性等。磁性納米顆粒通常包含鐵磁材料，這種納米流體除了增強(qiáng)傳熱特性外，還具有普通流體的流動(dòng)性，同時(shí)還具備了類似于其他磁性材料的磁性特征。這種優(yōu)異的性能使其可用于使用外部磁場(chǎng)來(lái)控制液體的運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到良好的換熱需求[74]。

液態(tài)金屬主要是指鎵及其合金以及鉍基合金，相比于水溶液表現(xiàn)出更強(qiáng)的換熱能力，同時(shí)液態(tài)金屬只需采用小流道結(jié)構(gòu)(水力直徑約1 mm)即可達(dá)到水冷微通道的冷卻能力，并且流動(dòng)阻力很小[75]。中科院理化技術(shù)研究所首次在高性能計(jì)算機(jī)冷卻中使用液態(tài)金屬[21]，此后液態(tài)金屬作為新型冷卻液逐漸引起了廣泛的關(guān)注。近幾年來(lái)，液態(tài)金屬微小流道熱沉備受關(guān)注，這主要源于其在極端高熱流密度冷卻領(lǐng)域的重要價(jià)值。將高熱導(dǎo)率納米顆粒摻混進(jìn)液態(tài)金屬可以進(jìn)一步提升其熱導(dǎo)率和換熱能力[76]。

基于納米流體和液態(tài)金屬的冷卻液研究已經(jīng)取得了極其豐富的研究成果，但距離其廣泛應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段時(shí)間。目前面臨如下問(wèn)題。

(1)納米流體會(huì)需要更大的供液泵功率，同時(shí)顆粒團(tuán)聚、體積濃度、粒徑大小，以及在水介質(zhì)中的不穩(wěn)定性都會(huì)影響其傳熱特性，這些因素的研究還要不斷完善。

(2)水冷系統(tǒng)可以通過(guò)添加抗凝劑(比如醇類或無(wú)機(jī)鹽類)降低冷卻液的凝固點(diǎn)，但目前液態(tài)金屬還未找到合適的抗凝劑。

(3)還需進(jìn)一步拓寬液態(tài)金屬的使用溫區(qū)范圍，特別是找到熔點(diǎn)低于0 ℃及熔點(diǎn)在30～60 ℃的液態(tài)金屬。

(4)液態(tài)金屬的成本較高限制了它的發(fā)展，如何降低液態(tài)金屬的成本，并且解決與常用結(jié)構(gòu)材料的相容性問(wèn)題。

2.5 混合協(xié)同冷卻

為了實(shí)現(xiàn)最大的冷卻效果，應(yīng)根據(jù)散熱需求制定合理的混合散熱方案，最大限度地發(fā)揮每種液冷技術(shù)的散熱性能，同時(shí)，由于受設(shè)備和儀器平臺(tái)尺寸限制，其相應(yīng)散熱裝置應(yīng)盡可能占用更少空間，不額外引入更多功耗。目前應(yīng)用最多、普及性最廣的是微型蒸汽壓縮制冷與液冷系統(tǒng)的組合[77]。Oliveira 等[78]將蒸汽壓縮制冷后的冷卻液噴射到換熱表面進(jìn)行冷卻，整個(gè)冷卻系統(tǒng)采用了蒸氣壓縮制冷和射流冷卻技術(shù)，但不可避免造成設(shè)備復(fù)雜，同時(shí)也帶來(lái)了設(shè)備可靠性和經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題。射流和微通道組合冷卻能夠有效避免二者的缺點(diǎn)分別是只能局部冷卻和明顯壓降問(wèn)題，射流冷卻作為另一種形式的供液方式有效解決了微通道壓降問(wèn)題，較大幅度的提高了散熱能力[79]。這種組合冷卻方式還處于初步研究階段，同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜還需對(duì)射流特性、流道形式、換熱表面特性等主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[71]。目前混合協(xié)同冷卻還處于各種冷卻技術(shù)相互匹配階段，未來(lái)電子設(shè)備冷卻應(yīng)能結(jié)合智能算法實(shí)現(xiàn)不能散熱場(chǎng)景下散熱技術(shù)的合理調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)高效和經(jīng)濟(jì)化的智能散熱。

3 展望

傳統(tǒng)的泵回路散熱系統(tǒng)可以通過(guò)換熱面內(nèi)增加微通道提高整個(gè)系統(tǒng)的散熱性能，然而這一技術(shù)的缺點(diǎn)是換熱系統(tǒng)較大的壓力損失，需要更大的泵功率，這無(wú)疑增加了散熱成本[25]。由于不受重力等因素的限制，使得微通道完全可以應(yīng)用于航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。芯片散熱技術(shù)的發(fā)展，使得微通道冷卻技術(shù)延伸到芯片內(nèi)部，從源頭上解決電子設(shè)備散熱問(wèn)題[12]。如何解決兩相微通道不穩(wěn)定性是未來(lái)芯片級(jí)散熱亟需解決的問(wèn)題。由于微通道尺寸非常窄，納米粒子的團(tuán)聚研究在微通道冷卻中更為重要。

噴霧冷卻和射流冷卻這兩種主動(dòng)冷卻策略表現(xiàn)出非常好的換熱效果。如何解決不同大氣壓力和高度下(尤其是接近微重力環(huán)境)冷卻表面的氣液混合物快速清除是目前噴霧冷卻和射流冷卻技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的障礙，影響其散熱的因素過(guò)多，換熱系統(tǒng)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性也限制了應(yīng)用范圍[34]。如何提高系統(tǒng)可靠性的同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成是噴霧和射流冷卻未來(lái)的發(fā)展方向。

浸沒(méi)式液冷的整個(gè)換熱系統(tǒng)安全可靠，但介電液較差的導(dǎo)熱性能使得在所有液體冷卻技術(shù)中浸沒(méi)式液冷的換熱能力最差。盡管如此，與噴霧冷卻和射流冷卻相比，影響其散熱的因素較少，只需提高介電液的導(dǎo)熱性能就可以大幅提高浸沒(méi)式液冷的散熱能力[80]。浸沒(méi)式液冷已經(jīng)成功從實(shí)驗(yàn)室到小規(guī)模部署到目前的大規(guī)模部署，技術(shù)先進(jìn)性得到了充分驗(yàn)證[15]。在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究還尚未開展，與射流冷卻等組成的混合協(xié)同冷卻的研究還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

納米流體和液態(tài)金屬等新興的冷卻液較高的熱導(dǎo)率和換熱特性使得其在電子設(shè)備冷卻方面表現(xiàn)了巨大的潛力，但團(tuán)聚以及控制機(jī)理需要詳細(xì)廣泛的研究。液冷技術(shù)一方面向芯片級(jí)的熱源集中，從源頭解決散熱問(wèn)題；一方面向智能化和高效化的組合冷卻技術(shù)發(fā)展，通過(guò)智能匹配實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)散熱，從而更加有效地提高整體換熱性能。新興冷卻液與智能化混合協(xié)同冷卻的有效結(jié)合是目前電子設(shè)備高效散熱未來(lái)發(fā)展的方向。

4 結(jié)論

液冷技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)從基礎(chǔ)理論逐步過(guò)渡到實(shí)際應(yīng)用，但仍然面臨著解決電子設(shè)嚴(yán)格的散熱需求。高性能電子設(shè)備等需要具有高傳熱性能的創(chuàng)新機(jī)制、技術(shù)和冷卻劑，以充分去除其產(chǎn)生的熱量，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能和耐用性。如何采用最有效的散熱技術(shù)保證電子設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，依舊是不變的主題。傳統(tǒng)的液冷技術(shù)由于理論研究更加深入，技術(shù)成熟度更高依然是目前電子設(shè)備散熱的首要選擇。通過(guò)換熱表面強(qiáng)化以及混合協(xié)同冷卻等方式，傳統(tǒng)液冷技術(shù)的散熱能力可以進(jìn)一步加強(qiáng)。新興的冷卻技術(shù)如微通道與新型流體可以大大提高電子設(shè)備散熱性，但面臨著基礎(chǔ)理論研究不深入以及技術(shù)成熟度較低的現(xiàn)狀。盡管如此，新興技術(shù)、新型冷卻液與傳統(tǒng)液冷技術(shù)的結(jié)合是可以滿足高熱量電子設(shè)備的冷卻需求，這部分研究還需進(jìn)一步加強(qiáng)。