CPU散热技术发展趋势『论文非原创,看点制冷芯片』.docx

电子散热关系到电子设备的可靠性和寿命 ,是影响当今电子工业发展的一个 瓶颈 .伴随着电子产业高性能、微型化、集成化的三大发展趋势 ,散热问题越 来越突出 . 尤其是对于热负荷敏感度较高的 CPU 而言 ,热量在芯片处的累积 将严重影响其稳定性和使用寿命 .有研究表明 ,单个电子元件的工作温度如果 升高 10 ℃,其可靠性则会减少 50 %;而 CPU失效问题的 55 %都是由于过热引 起的。目前，高频的 Pentium4 E 已突破 100 W 功耗大关 ,Smith2field 核心 Pentium D双核处理器的功耗更是攀至 130 W.根据 Intel的首席技术官 Patrick Gelsinger的预测 ,如果芯片中的晶体管数量以现在的速率一直增长下去 ,到 2015 年就要和太阳表面一样热 ,这当然是不可想象的 .因此 ,为了使 CPU 发 挥最佳性能并保证其可靠性 ,研究实用高效的芯片冷却方法也就成为了日益 重要和紧迫的问题 . 本文将对 CPU 散热技术的最新研究进展进行综述。 1 CPU 散热方式及存在问题 根据电子学理论 ,过热所导致的“电子迁移”现象是损坏 CPU 内部的芯片 主要原因 .“电子迁移”是指电子流动所导致的金属原子迁移的现象 .在芯片 内部电流强度很高的金属导线上 ,电子的流动给金属原子一个动量 ,一旦与 金属原子碰撞 ,使得金属原子脱离金属表面四处流动 ,结果就导致金属表面 上形成坑洞或土丘 . 这是一个不可逆转的永久性伤害 ,如果一直持续这个慢 性过程 ,到最后就会造成核心内部电路的短路或断路 ,彻底损坏 CPU.“电子 迁移”现象受许多因素影响 ,其中温度因素起了决定性的作用 .温度的升高会 使自由电子的动能大大增加 ,对金属原子的碰撞也更强烈 . 同时 ,随着温度的 增加 ,金属原子本身的热运动也增强 ,电子迁移现象就越容易发生 . 这就是为 什么要把 CPU 的温度维持在 50 ℃以下的原因 . （1） 风冷法 . 在 CPU 上安装散热片以扩大散热面积 , 并在散热片上安装一个小风扇 ,让 空气强迫对流带走热量 .这种散热方式的优点是简单实用 ,且价格低廉 .但其缺 点在于: ①冷却效率低 ,最多只能排出 CPU 废热的 60 %,因此仅依靠传导和 对流的风冷法散热器已经接近了其导热极限 ; ②随着风扇的功率和转速的增 大,产生的噪声也随之增大 ; ③由于风扇是运动部件 ,比较容易损坏 . （2） 水冷法 . 它是用密封性良好的水槽 一般用铝或铝合金制成 贴在 CPU 表面 ,然后通 以水循环系统 ,将 CPU 发出的热量带走 . 这种方法的散热效率比风冷散热 高,但它需要较复杂的水冷却系统 ,并且使用不便 ,安装麻烦 ,而且还有漏水和结 露的隐患 . （3） 半导体致冷片法 . 它是基于帕尔贴效应而实现的 ,通常采用陶瓷封装的半导体串联方式 .其工作 原理实际上是热量转移 ,当接通直流电时 ,半导体的冷面温度迅速降低 ,甚至 可降至 - 10 ℃,而另一面的温度则迅速上升 ,从而达到降低表面温度的作用 . 半导体致冷的优点是无需任何制冷剂 ,寿命长 ,安装简单 ,可通过控制电流实 现高精度的温度控制 .它同样也存在缺点 : ①制冷效率低 ; ②工艺不成熟、价格 高; ③容易因冷面温度过低而出现的 CPU 结露 ,从而导致短路的现象 .因此 , 随着芯片尺寸的不断减小、 CPU 频率的升高和散热量的迅速增加 ,需要新型 的 CPU 散热器来替代原有的散热技术 . 以下主要介绍 3 种新型 CPU 散热 技术 :热管散热技术、微通道散热技术和制冷芯片技术 . 2 新型 CPU 散热技术 热管散热技术 热管是以相变来强化换热的技术 ,它利用封闭在真空管内的工作物质 ,反复进行 沸腾或凝结来传送热量 .典型的热管依次可划分为蒸发段、绝热段和冷凝段三部 分 见图 1 . 管内装入的液体称为工作液 ,是热量传递的介质 . 首先 , 蒸发段的工 作液从外部吸收热量后沸腾成为气相 ,在气压差的驱使力作用下进入冷凝段 ,遇 到较冷的管壁便凝结为液体并释放热量 ;接着 ,通过热管中心处设置的吸液芯 , 利用它与工作液的表面张力所产生的毛吸力再将工作液送回到蒸发段 .反复进行 上述过程 ,从而不断将蒸发段的热量传送到冷凝段 ,再通过散热片传递出去 .由 于热管是通过相变潜热来传递热量 ,其导热性能很高 ,甚至是相同尺寸铜管的几 十倍以上 ,因此适合在狭小空间中高热量的排放 ,在笔记本电脑中已经得到应  Cotter 首先提出微型热管 见图 2 的概念 .该文提出在芯片上埋入微细热管 ,平 均管路直径为 10～500 μm ,长为数毫米至数厘米之间 . 此热管不需要毛细结构 断面成多角形状 ,通过内腔