段斐帆，涂淑平

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 200135)

電子設(shè)備的逐漸小型化、精密化，帶來了散熱的難題。溫度對電子設(shè)備的工作性能影響非常大，對于一個穩(wěn)定并且持續(xù)工作的電子芯片來說，按要求最高溫度不能超過85 ℃[1]。一件半導(dǎo)體元件的溫度每升高10 ℃，這個系統(tǒng)的可靠性將會降低50%，據(jù)統(tǒng)計超過55%的電子設(shè)備的失效原因都是因為溫度過高[2]。傳統(tǒng)的電子芯片中，用于冷卻的體積占了98%，只有2%是用于計算運行的，但是這樣依舊很難解決現(xiàn)在所存在的散熱問題[3]。高溫會對電子設(shè)備的性能造成有害的影響，而那些傳統(tǒng)的散熱方式存在一定的局限性，因此為保證電子設(shè)備的使用壽命和高效的性能，探究并研發(fā)更好的電子設(shè)備散熱方式刻不容緩。

1 散熱技術(shù)

傳統(tǒng)的散熱方式我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常見到，因為目前發(fā)展已經(jīng)非常成熟且原理簡單，在此不做贅述。

1.1 液體冷卻

液體冷卻是利用經(jīng)過熱源的液體帶走芯片產(chǎn)生的熱量，沒有噪音，具有較高的換熱能力。以下是幾種液體冷卻方式是根據(jù)傳統(tǒng)的直接液體冷卻延伸出來的新技術(shù)。

1.1.1 微通道冷卻

微通道冷卻是在芯片的下面的基板上刻蝕出多條微米級的流體通道，使得流體流過通道時吸收芯片的熱量。該方式包括單相換熱和兩相換熱兩種，其中單相換熱的熱容小，換熱效果差，并且冷卻后溫度不均勻，導(dǎo)致應(yīng)力過大。相反兩相換熱存在較大的潛熱，換熱能力高，冷卻后溫度均勻，不會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，并且工質(zhì)溫度不會上升很高。微通道冷卻中的兩相換熱是當(dāng)前的研究熱點，使用低壓制冷劑作為工質(zhì)的兩相換熱中，散熱能力可以達(dá)到300 W/cm2以上[4]。喻祖康等人[5]通過實驗得到表面親水性能有效提高微通道的換熱性能，在低熱流密度、低進(jìn)口干度下，超親水表面平均換熱系數(shù)最大，比普通光滑表面最大提高了64%，親水表面平均換熱系數(shù)比普通光滑表面最大提高了27%；在高熱流密度、高進(jìn)口干度工況下，平均換熱系數(shù)的值超親水表面比普通光滑表面最大提高約80%，親水表面比普通光滑表面最大提高約50%。圖1為微通道冷卻的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 微通道冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

臨界熱通量(Critical Heat Flux，簡稱CHF)是微通道性能的重要影響參數(shù)之一，袁旭東等人[6]針對CHF的研究進(jìn)展，詳細(xì)地介紹了它的影響機制和提升方法，以及學(xué)術(shù)界存在的CHF觀點差異。微通道由于尺寸過小，導(dǎo)致沿程阻力很大；它的結(jié)構(gòu)對冷卻也有很大的影響，采用直的、平行的微通道會導(dǎo)致壓降和溫度梯度很大。它的優(yōu)點也很多，由于通道是刻蝕出來的，不占據(jù)更多的空間，微通道冷卻變得更高效緊湊，更加適用于小型的電子芯片。普遍認(rèn)為雙層微散熱器可以滿足下一代電子設(shè)備不斷增加的熱負(fù)荷，Xiaogang Liu等人[7]提出了雙層矩陣結(jié)構(gòu)(DL-M)和雙層互聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)(DL-IM)結(jié)構(gòu)的微通道，并通過數(shù)值模擬研究散熱器的各種性能，證明它們有更好的熱性能。

微通道冷卻雖然存在一定的缺點，但是可以解決出現(xiàn)的難題，發(fā)展也更加成熟；而對于CHF的研究雖然在觀點上存在差異，但這不會阻礙微通道技術(shù)的發(fā)展，未來發(fā)展方向會更加著重于如何提高CHF來實現(xiàn)微通道冷卻的更高效化，這種散熱方式也會變得更加熱門。

1.1.2 噴霧冷卻

噴霧冷卻是通過一個噴嘴將液體霧化形成氣液兩相噴射到電子設(shè)備上，其中一部分吸收熱量后氣化，通過相變帶走部分熱量；另一部分在熱源表面形成液膜，熱量隨著液膜的流動被帶走。液膜中的不凝結(jié)氣體對換熱增強了擾動，可以極大提高電子設(shè)備的散熱能力。噴霧冷卻的相變換熱熱流密度可以達(dá)到1 000 W/cm2以上[8]，Lin等人分別利用碳氟化合物、甲醇、水為工質(zhì)進(jìn)行相變換熱，通過實驗得到可以得到最大熱流密度分別為90、490、500 W/cm2以上[9]。圖2為噴霧冷卻示意圖。

圖2 噴霧冷卻示意圖

該冷卻方式有一定的的缺點待解決，噴霧冷卻方式的系統(tǒng)復(fù)雜，空間要求很高，很難維護保養(yǎng)。噴霧冷卻因其液體流量小，冷卻后芯片溫度分布均勻，應(yīng)力小等優(yōu)點被視為具有很好發(fā)展?jié)摿Φ碾娮有酒岱绞?。目前，由于存在的問題沒有解決，只能用于軍工、航空類產(chǎn)品中。王高遠(yuǎn)等人[8]通過對R134a低壓條件下噴霧冷卻實驗，得到低壓條件下噴霧冷卻隨著壓強的降低換熱能力逐漸降低，并且閃蒸對換熱能力影響很大，在布置噴嘴時需要考慮。在噴霧冷卻工質(zhì)中加添加納米顆粒、表面活性劑、可溶性鹽和氣體以及醇類添加劑等對于換熱特性有很大的提升[10]。李依一[11]通過實驗驗證添加表面活性劑后有效改善了噴霧冷卻的傳熱性能，尤其是添加SDS效果最佳。但是目前加添加劑的方式仍在起步階段，存在的問題比較復(fù)雜。

噴霧冷卻受制于空間的限制，不能用于小型電子器件中，但應(yīng)用于超級計算機中的效果非常好；目前噴霧冷技術(shù)以運用于CREY超級計算機上，在數(shù)據(jù)中心中也得到大規(guī)模運用[12]。隨著該冷卻方式的發(fā)展，相信應(yīng)用方面會更加成熟。

1.1.3 射流冷卻

射流冷卻是利用高速噴射出的液體來冷卻電子芯片。射流沖擊熱源由于其較高流速沖擊可以帶來很好的換熱效果，液體在熱源表面蒸發(fā)吸熱也會帶走很大的熱量。在芯片表面的溫度為85 ℃，工質(zhì)流量低于2.5 L/min，壓降小于36.05 kPa的條件下，射流冷卻的散熱能力可以達(dá)到300 W/cm2以上[13]。射流冷卻也分為單相換熱和兩相換熱兩種，單相換熱邊界層厚度會逐漸增大，影響傳熱效果；兩相換熱存在潛熱，其換熱效果比單相換熱要高很多，也不存在邊界層厚度增加的問題。

目前，兩相換熱成為研究熱點。Javidan Mohammad等人[14]使用多噴嘴噴射沖擊冷卻系統(tǒng)在最佳工作條件下使光伏模塊的溫度從63.95 ℃下降到33.68 ℃。3M公司研制的射流冷卻劑Perfiuorocarbon應(yīng)用較多，其沸點為55 ℃，冷卻能力為500 W/cm2,可以保持芯片溫度低于75 ℃[15]。射流冷卻也存在一些問題，比如噴射壓力不能過大，否則會損壞電子設(shè)備；冷卻系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對其他方式比較復(fù)雜，占用空間較大等。

以上三種液體散熱方式各有優(yōu)缺點，噴霧冷卻和噴射冷卻比較相似，它們的結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，不適合用于日常的電子設(shè)備中，但它們的散熱能力強，噴霧冷卻適合于超級計算機、大數(shù)據(jù)散熱中；噴射冷卻適用于軍工類物品中，比如戰(zhàn)斗機、航空器等，這兩種散熱方式在近幾年是無法被取代的。微通道冷卻是未來發(fā)展的大方向，無論是在日常電子設(shè)備還是其他精密電子儀器中，都將會采用這種方式。

1.2 熱管冷卻

熱管冷卻利用的是熱管內(nèi)部的工質(zhì)蒸發(fā)吸熱對電子設(shè)備進(jìn)行冷卻，熱管兩端分別為冷凝段和蒸發(fā)段，中間是絕熱段。液體在蒸發(fā)段通過工質(zhì)蒸發(fā)氣化來吸收電子器件產(chǎn)生的熱量，產(chǎn)生的蒸汽在內(nèi)部壓力的作用下流向冷凝段被凝結(jié)為液體，然后液體依靠毛細(xì)力流到蒸發(fā)段，形成一個循環(huán)結(jié)構(gòu)。熱管技術(shù)因其結(jié)構(gòu)簡單被廣泛應(yīng)用于軍工、宇航等行業(yè)。佟振等人[16]通過實驗得到應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的CO2熱管最大換熱能力是R22的兩倍，且冷源溫度可以更低。王錦榮等人[17]提出了一種非對稱U形熱管嵌入式散熱器來進(jìn)行CPU的散熱，并通過實驗得到了最好散熱效果下的工況和安裝方式。He Zhiguang等人[18]提出了一種用于數(shù)據(jù)中心的集成式熱管冷卻系統(tǒng)，使用遺傳算法的能效優(yōu)化方法，可以讓冷卻系統(tǒng)的能效比在特定模式下提高2～3倍。圖3為平行流熱管示意圖。

圖3 平行流熱管示意圖

由于熱管內(nèi)部沒有機械部件，所以不會產(chǎn)生噪音，可以用于計算機中進(jìn)行散熱。由于熱管利用毛細(xì)力運輸工質(zhì)，所以極適合于零重力的工作環(huán)境，廣泛應(yīng)用于空間飛行器中。熱管可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送熱量，能夠在狹小的空間內(nèi)進(jìn)行冷卻，其傳熱溫差小、傳熱量大，在電子器件方向已經(jīng)趨于成熟。當(dāng)然熱管冷卻也存在著一些問題，比如熱管的腐蝕，熱管內(nèi)部和外部都會存在腐蝕，會影響到換熱能力，甚至是導(dǎo)致熱管內(nèi)部的液體泄露；熱管積灰問題以及結(jié)構(gòu)布置對電子散熱的影響也很大。

熱管冷卻將會廣泛應(yīng)用于計算機中，成為取代風(fēng)扇散熱的一種重要方式。熱管也開始應(yīng)用于核反應(yīng)堆領(lǐng)域，可以提高反應(yīng)堆的安全系數(shù)，更有效地控制溫度。熱管冷卻技術(shù)隨著存在的問題被克服，應(yīng)用領(lǐng)域會越來越廣泛。

1.3 熱電制冷

熱電制冷使用的是半導(dǎo)體材料，是一種基于塞貝克效應(yīng)、帕爾貼效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)產(chǎn)生的一種新型制冷技術(shù)。熱電制冷的原理是兩種不同的半導(dǎo)體材料形成回路后施加電場，由于兩種材料的電子密度不同，電子在兩種材料間移動時經(jīng)過接觸點時會產(chǎn)生電子擴散，在接觸點必然會與周圍環(huán)境進(jìn)行能量交換以滿足能量守恒，半導(dǎo)體材料一端釋放熱量，另一端吸收熱量，由此形成制冷系統(tǒng)。圖4為熱電制冷示意圖。

圖4 熱電制冷示意圖

熱電制冷沒有機械部件，不會產(chǎn)生噪聲，只有兩個半導(dǎo)體構(gòu)成因此穩(wěn)定性和可靠性都很高。如果將連通熱電材料的電流轉(zhuǎn)換方向后，就可以進(jìn)行制熱。半導(dǎo)體制冷片的熱慣性很小，在熱端載熱良好冷端空載的情況下，不到一分鐘的通電時間，制冷片就可以達(dá)到最大溫差[19]。這種制冷方式不需要制冷劑，也就不存在對環(huán)境影響的問題。它的溫度控制特別好，誤差可以達(dá)到±0.1 ℃，但制冷量很小，很適用于高精密的小儀器，常用于醫(yī)療設(shè)備和測量設(shè)備中。錢小龍[20]通過熱電制冷技術(shù)在電子器件散熱的數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)電子散熱系統(tǒng)效率受到多個參數(shù)的影響，并且這些參數(shù)相互制約。

熱電制冷的制冷效率比較低，只能達(dá)到0.1～0.4，熱電制冷效率低的原因就是受到了熱電材料的限制，同時也制約了熱電制冷在各個領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。丁露等人[21]通過對熱電材料的幾何機構(gòu)仿真模擬，得到增加熱電材料長度、減小截面積并且增加金字塔臺結(jié)構(gòu)的傾斜角可以增大熱電制冷的制冷效果。目前，熱電制冷的研究趨于對熱電材料的研究，通過找到更好的材料來提升制冷量和制冷效率。

1.4 相變儲能冷卻

相變儲能冷卻是利用相變材料在相變的時候需要很大的潛熱，通過吸收電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量發(fā)生相變而自身溫度不變化，然后吸收的熱量利用其他方式散去。相變儲能為目前國內(nèi)新興起的行業(yè)，利用相變儲能冷卻也是一種很受歡迎的散熱方式。相變材料主要包括有機和無機相變材料；而有機相變材料由于具有潛熱大、成本低、熔點范圍廣的特點，使之成為研究和應(yīng)用最為廣泛的材料。王苑瑾等人[22]通過實驗和仿真設(shè)計出一種導(dǎo)熱率很高的相變儲能模塊，可以有效滿足高功耗信息處理模塊的散熱要求，已應(yīng)用于新一代的運載火箭電氣產(chǎn)品中。桂鵬策等人[23]詳細(xì)介紹了相變儲能材料應(yīng)用于動力電池和智能調(diào)溫紡織品的方法以及未來發(fā)展。郭茶秀等人[24]介紹了多孔石墨泡沫與相變材料復(fù)合形成的復(fù)合相變材料在導(dǎo)熱系數(shù)和吸熱系數(shù)方面得到大幅提高，有利于應(yīng)用于電子設(shè)備的散熱。圖5為相變儲能示意圖。

圖5 相變儲能示意圖

由于相變材料具有很高的潛熱，但導(dǎo)熱性能較差，適合用于較短時間的大功率電子設(shè)備中；利用其儲能的特點，可用于間歇性達(dá)到峰值溫度的設(shè)備。當(dāng)電子設(shè)備斷電后，有相變材料的設(shè)備恢復(fù)到環(huán)境溫度的速度與其他方式相比更慢。相變儲能冷卻具有時間遲滯性，不適合極短時間內(nèi)的散熱需求。因為材料會發(fā)生相變，導(dǎo)致不易封裝，甚至出現(xiàn)泄漏的問題。為了解決這些問題，目前研究者正在制備更多的新型相變材料，用以達(dá)到更好的散熱性能。

目前應(yīng)用相變儲能冷卻方式的并不常見，但相變儲能冷卻在高熱耗、低熱流密度、短時間工作的電子設(shè)備應(yīng)用前景非常廣闊，再加上近幾年國內(nèi)大力推崇相變材料，這種散熱方式一定會被廣泛應(yīng)用。

2 新興發(fā)展中的散熱技術(shù)

2.1 二維材料

二維材料是指電子僅可以在兩個維度的納米尺度上自由運動的材料，即電子只能做平面運動，常見的二維材料有石墨烯、六方氮化硼、超晶格、量子阱等。二維材料因為其導(dǎo)熱性能非常好，可用于電子芯片的封裝來增強散熱。石墨烯作為典型代表由于具有強sp2鍵帶來超高的熱導(dǎo)率5 300 W/(m·K),可以作為一種很有前景的散熱材料[25]。很多文獻(xiàn)中報道了各類石墨烯基薄膜、石墨烯紙、多層石墨烯/環(huán)氧聚合材料以及石墨烯薄片等，都可以用來做電子器件中的散熱層[26]。六方氮化硼，作為一種導(dǎo)熱卻不導(dǎo)電的二維材料，熱導(dǎo)率可以達(dá)到390 W/(m·K)[27-28]，膨脹系數(shù)是目前已知的陶瓷材料中最小的。圖6為使用二維材料對IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)進(jìn)行封裝的示意圖。

圖6 使用二維材料對IGBT封裝示意圖

劉書田等人[29]通過數(shù)值模擬得到具有最佳散熱性能的二維多孔材料為正六邊形微結(jié)構(gòu)一類。吳祥水等人[30]詳細(xì)的介紹了二維材料的熱傳導(dǎo)測量技術(shù)以及各種二維材料的導(dǎo)熱性能。鮑婕[31]采用二維層狀材料六方氮化硼解決高功率電子器件散熱問題，并提出了進(jìn)一步增強其散熱效果的方案。

二維材料中石墨烯的散熱應(yīng)用是最具代表性的，作者認(rèn)為在進(jìn)行電子芯片散熱的時候可以將石墨烯薄膜覆蓋于芯片上，六方氮化硼填裝到封裝樹脂中，這樣可以很大程度的減小導(dǎo)熱熱阻。二維材料散熱目前在行業(yè)內(nèi)屬于發(fā)展階段，該領(lǐng)域還有很長的一段路要走。待成熟時，二維材料在芯片散熱領(lǐng)域肯定會大放光彩。

2.2 離子風(fēng)散熱

在一個尖銳表面和一個鈍表面間施加電場，尖銳表面附近會電離大量負(fù)離子，鈍表面附近產(chǎn)生大量正離子，正負(fù)離子需要中和，負(fù)離子向正離子飛去。離子運動時會對周圍流體產(chǎn)生很大的擾動，由于慣性帶動著空氣中的其他分子一起運動，產(chǎn)生離子風(fēng)。圖7為離子風(fēng)產(chǎn)生的原理圖。離子風(fēng)散熱技術(shù)最早是Alexander Mamishev教授2006年發(fā)明，全球電子產(chǎn)品微型化技術(shù)供貨商Tessera基于離子風(fēng)散熱推出了電子液動力(Electrohydro Dynamic，簡稱EHD)散熱方案，表面積只有3 cm2，可以裝在筆記本電腦中。該散熱方式最大的優(yōu)點就是沒有任何機械機構(gòu)，不會產(chǎn)生噪音。離子風(fēng)散熱存在一些問題，比如系統(tǒng)的能耗可能會增加，離子風(fēng)產(chǎn)生的電磁輻射也會影響人的健康，但是這些問題目前已經(jīng)解決；對于如何防塵、如何延長使用壽命這些問題還正在解決。

圖7 離子風(fēng)產(chǎn)生的原理圖

單獨的使用離子風(fēng)散熱效果并不是很好，與自然對流相比只能強一點，如果考慮經(jīng)濟效益就無法與自然對流相比。因此在使用離子風(fēng)散熱的時候可以加入低速風(fēng)扇來流混合散熱，低速來流與需要散熱的電子器件平行，增加熱量的運輸；離子風(fēng)垂直作用于電子器件，使電子器件表面產(chǎn)生強烈的局部湍流，增大換熱系數(shù)。二者協(xié)同可使換熱系數(shù)達(dá)到60 W/(m2·℃)，是自然對流換熱的3.5～4.5倍，達(dá)到單獨使用離子風(fēng)散熱的1.7倍以上，是單獨使用來流散熱的2.5倍左右，相當(dāng)于5 m/s以上來流單獨散熱的散熱效果[32]。曾敏軍等人[33]通過陣列設(shè)計得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)的單針-環(huán)式離子風(fēng)裝置，實驗測試后認(rèn)為其性能可以和一般的風(fēng)扇一樣。李小華等人[34-35]設(shè)計了一種“針-網(wǎng)”式離子風(fēng)散熱器，并實驗驗證了離子風(fēng)散熱應(yīng)用于大功率LED前照燈的可行性；通過實驗驗證電暈功率在3W時該散熱系統(tǒng)能在較短時間內(nèi)降低LED芯片的引腳溫度。

國內(nèi)的PC廠商推出了應(yīng)用離子風(fēng)散熱技術(shù)的筆記本，但是該散熱方式也存在一些問題有待改進(jìn)，離子風(fēng)散熱應(yīng)該會成為未來電子散熱的新趨勢。

2.3 “5D”電子血液

“5D電子血液”[36]是由IBM發(fā)明的一種電子芯片散熱方式，其思路來源于人的大腦，大腦中用于思考計算占總體積的40%，進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)溝通的占50%，只有10%是用來冷卻散熱。大腦中有很多的毛細(xì)血管，這些毛細(xì)血管是散熱的關(guān)鍵，可以帶走熱量。“電子血液”也利用該原理，通過使用很多的管道，內(nèi)部含有帶電離子的電解液，當(dāng)這些電解液流經(jīng)芯片的時候帶走芯片產(chǎn)生的熱量，然后集中在中央儲藏室進(jìn)行冷卻，重新充電后循環(huán)使用。電子血液管道的電解液為納流體，該系統(tǒng)對于能源的需求比相同散熱效率的風(fēng)冷設(shè)備低了40%。

2016年，IBM在德國舉辦的“CeBIT 2016”展會上展示了正在研發(fā)的“Electronic Blood”技術(shù)。該冷卻方式還存在著散熱和電力傳輸?shù)碾y題，如果IBM能夠克服這些困難，那么這個“電子血液”系統(tǒng)將能實現(xiàn)80%的能源轉(zhuǎn)化率。這項技術(shù)有望在2030年之前實用化，屆時，計算機芯片將產(chǎn)生翻天覆地的變化。

3 結(jié) 論

通過對以上幾種散熱方式的整理和分析，不難看出，隨著電子設(shè)備的不斷更新進(jìn)步，電子設(shè)備的散熱方式越來越開始追求輕便化和更高效率化。電子器件和電子芯片在更加精密、緊湊的同時，也帶來了散熱的難題。溫度對電子設(shè)備的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一是芯片的熱失效，二是應(yīng)力損壞[37]。對比以上幾種散熱方式，如果單獨使用一種方式存在的不足過多，可以使用多種方式聯(lián)合散熱，比如：離子風(fēng)與強制空氣冷卻相結(jié)合進(jìn)行散熱；相變儲能與熱管聯(lián)合散熱；二維材料封裝并利用其他散熱方式相結(jié)合?！?D電子血液”是一種非常有前景的技術(shù)，待研發(fā)出來將會是電子設(shè)備的大變革。電子設(shè)備用二維材料進(jìn)行封裝和底板加微通道會使用得越來越廣泛，而其他的散熱方式需要針對不同情況進(jìn)行選擇，作者個人最看好相變儲能冷卻和熱管冷卻。

目前，散熱理論研究相對完整，但是技術(shù)難點也存在很多。散熱技術(shù)存在的瓶頸問題，也間接阻礙了電子設(shè)備進(jìn)一步發(fā)展。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，突破當(dāng)前難題并尋找更好的散熱材料會一直是散熱領(lǐng)域的熱點問題。