姜文新

摘要：隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的迅猛發(fā)展，CUP的運(yùn)行速度越來(lái)越快，發(fā)熱量也越來(lái)越高，CPU散熱器發(fā)展迅速。為對(duì)CPU散熱器具有更多的認(rèn)識(shí)，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(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷器；CPU散熱管理

1 CPU散熱器的應(yīng)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(wèn)題就越來(lái)越突出， 據(jù)有關(guān)資料顯示， 對(duì)于包括 CPU 在內(nèi)的電子設(shè)備， 現(xiàn)在的失效問(wèn)題的 50% 都是由于過(guò)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(gè)世紀(jì) 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(dá)到 115W。如此大的功率嚴(yán)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(gè)核心的功耗只有 30W 至 35W， 與上一代英特爾臺(tái)式機(jī)處理器產(chǎn)品相比， 英特爾酷睿 2臺(tái)式機(jī)處理器在提供 1. 4倍的CPU 計(jì)算性能同時(shí)， 能耗降低了 40% ， 但是對(duì)于現(xiàn)在一些四核的 CPU 來(lái)說(shuō)， 功率仍然很高。為適應(yīng) CPU 發(fā)展過(guò)程中功耗的不斷變化， CPU 散熱器也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。

2 CPU散熱冷卻方法分類及存在問(wèn)題

散熱分為被動(dòng)與主動(dòng)兩種， 被動(dòng)散熱是通過(guò)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(jiǎn)單且安全可靠， 但散熱效果不理想， 難于適用當(dāng)前 CPU 散熱的需要； 主動(dòng)式散熱是利 用風(fēng)扇或泵體等設(shè)備將散熱片上的熱量以強(qiáng)制對(duì)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(yùn)用了熱力學(xué)的一條基本原理：當(dāng)有溫差存在時(shí)，熱量必然會(huì)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(diǎn)很低的液體。工作時(shí)，由于溫度升高，一端的液體吸熱汽化，飛速到達(dá)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(guò)液體在兩態(tài)之間的變化及在管子兩端之間的流動(dòng)，有效地散去了從芯片吸收的熱量，達(dá)到了較好的散熱效果。

熱管散熱存在問(wèn)題： 如大幅增加散 熱器表面積， 增加了散熱器的體積； 采用導(dǎo)熱率更高的銅鰭 片代替鋁鰭片， 增加了散熱器的質(zhì)量。這些都制約了風(fēng)冷 散熱器的發(fā)展為了能進(jìn)一步降低散熱器的熱阻值提高熱傳導(dǎo)率， 將 工業(yè)中廣泛使用的熱管應(yīng)用于臺(tái)式機(jī) CPU 散熱器上。熱管 是一種高效率利用相變傳熱的熱傳導(dǎo)器， 其熱阻可以達(dá)到 每瓦千分之一攝氏度， 傳熱量可以超過(guò) 50千瓦[3]。 1984 年在第五屆國(guó)際熱管會(huì)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(yīng)用。熱管只是導(dǎo)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(zhì)的底座 與鰭片。在底座與鰭片的材質(zhì)也就只有這兩種。

2.2半導(dǎo)體制冷

半導(dǎo)體制冷片的工作原理是 P e ltier 效應(yīng)： 當(dāng)一塊 N 型 半導(dǎo)體材料和一塊 P 型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對(duì)時(shí)， 在這 個(gè)電路中接通直流電流后， 就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)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(guò)電流的大小以及半導(dǎo)體材料 N、P 的元件對(duì)數(shù) 來(lái)決定。該方法很早就已經(jīng)出現(xiàn)， 但始終沒(méi)有得到推廣， 近 年來(lái)在極其緩慢的增加。雖然半導(dǎo)體制冷的效能非常強(qiáng) 勁， 工作時(shí)冷端最低溫度可以達(dá)到零下， 但由于同時(shí)在熱端 會(huì)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(guò)采用半導(dǎo)體散熱器的顯卡， 但由于返修率 高的問(wèn)題都沒(méi)有大量出貨。

3新型CPU散熱技術(shù)的提出

3.1 熱管散熱技術(shù)

熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的新型傳熱元件，它通過(guò)在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)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(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、溫度可控制等特點(diǎn)。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(dǎo)出。

3.2 微通道散熱技術(shù)

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(dǎo)熱系數(shù)的材料構(gòu)成.根據(jù) Riddle 等 的研究：流量一定時(shí) ，矩形通道中流體總的熱傳導(dǎo)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(yīng)增加 ，同時(shí)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(zhǎng)度和高度的微通道集熱器 ，當(dāng)微管道寬度為 10 μm 時(shí) ，CPU 溫度為 65℃，而當(dāng)寬度為100μm 時(shí) ，CPU 溫度則高達(dá)85 ℃，顯然寬度越小對(duì)散熱越有利 ，因此 ，尺寸因素對(duì)微通道散熱器的影響是至關(guān)重要的 ，而這又直接影響了CPU 的運(yùn)行性能.在微通道散熱器領(lǐng)域 ，比較成熟的應(yīng)屬美國(guó)Cooligy 公司推出的產(chǎn)品.其生產(chǎn)的水冷式芯片 ，采用了主動(dòng)微通道冷卻技術(shù) Active Micro-ChannelCooling ， AMCC .這項(xiàng)新技術(shù)中包含 3 個(gè)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(dǎo)散發(fā)至空氣中；一臺(tái)電力動(dòng)能泵 ，用于推動(dòng)液體流過(guò)微管道集熱器.相對(duì)于傳統(tǒng)的水冷 ，AMCC 的技術(shù)核心在于兩點(diǎn)：一是微通道集熱器 ，一是無(wú)噪聲電動(dòng)力泵.微通道集熱器相當(dāng)于水冷頭 ，通過(guò)高導(dǎo)熱介質(zhì)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(guò)DRIE或LIGA 工藝刻出無(wú)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(zhì)則沿著這條通路往復(fù)流動(dòng).因?yàn)榧療崞鞯纳崦娣e 比傳統(tǒng)水冷頭增加了數(shù)百倍 和熱傳導(dǎo)系數(shù)都很大 ，使得核心溫度與液體介質(zhì)的溫度幾乎持平. 因?yàn)?Cooligy的產(chǎn)品采用了電力動(dòng)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(yè)的數(shù)據(jù) ，散熱通量甚至可達(dá)1000 W/cm2 ，體積小重量輕 ，無(wú)噪聲 ，性能穩(wěn)定 ，可靠性高 ，壽命長(zhǎng) ，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(shí)也會(huì)引起壓力降升高 ，增加微通道的壓力負(fù)載及泵的功率.此外 ，微通道的堵塞問(wèn)題、低雷諾數(shù)下微流體的流動(dòng)問(wèn)題都是極需深入探討的.隨著微通道散熱器本身的技術(shù)進(jìn)一步完善 ，這種產(chǎn)品將有更大的發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)需求.

參考文獻(xiàn)：

[1]基于半導(dǎo)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(xué)儀器. 2017（03）

[2]半導(dǎo)體制冷微型除濕器與化學(xué)干燥劑的對(duì)比試驗(yàn)研究[J]. 韓耀明. 制冷. 2017（02）