淺談CPU散熱器的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

引言

過去的三十年見證了現(xiàn)代電子工業(yè)的個人電腦及其服務器的日新月異。同時，由于增加的熱流體的散熱問題嚴重阻礙了超級高性能的CPU的發(fā)展。目前，傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)，如風冷，水冷和熱管依然在散熱領域扮演著主要的角色。這主要歸因于這些技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，冷卻效率高以及低成本。除此之外，一系列的新的和更高級的冷卻技術(shù)正在涌現(xiàn)，比如說，微通道，離子風，壓電式翅片，磁性極化納米流體，以及微包裹體相變流體等。這些令人欣喜的策略具有獨一無二的優(yōu)勢以及一些甚至能夠處理極端高熱流體的條件。然而，對于大部分散熱的方式來說，一些技術(shù)問題，比如復雜的制造工藝，高成本，以及可靠性問題，離大規(guī)模的商業(yè)使用依然有很大的提升空間。

在許多的新創(chuàng)意中，液態(tài)金屬冷卻技術(shù)迅速成為了近年來最吸引人的散熱技術(shù)。它最典型的優(yōu)勢在于，液態(tài)金屬的高的熱物性以及它獨一無二的電磁驅(qū)動特性。目前，基于金屬鎵的合金被認為是最好的可用于該技術(shù)最好的材料。該合金的有低的熔點（<10℃），高的導熱率，無毒，高的沸點，因此有了優(yōu)秀的冷卻能力和高的可靠性。

現(xiàn)在最常用的風冷技術(shù)已經(jīng)達到了它的極限，隨著CPU芯片集成技術(shù)的發(fā)展，風冷技術(shù)將無法滿足市場的要求。新型的液體金屬散熱方法雖然理論上具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但昂貴的價格不利于大規(guī)模生產(chǎn)，而且在實際應用中其散熱效果并不理想，與目前最先進的風冷散熱器相比，并沒有完全處于優(yōu)勢地位。液體具有良好的流動性和導熱性，因此液體散熱技術(shù)的應用非常廣泛，成為各種臺式計算機及大型工作站散熱的首選，而且效果也明顯優(yōu)于常規(guī)的風冷散熱。目前對于液體冷卻主要是研究其流道結(jié)構(gòu)和冷卻液成分，冷卻液主要包括水、納米流體、液體金屬。液態(tài)金屬的導熱系數(shù)最高，其次是納米流體，最后是水。謝開旺提出在液體金屬中加入納米粉體，可以形成導熱系數(shù)更高的納米金屬流體。宋思洪等通過研究表明，不同功率下芯片溫度隨導熱系數(shù)的升高而降低，但導熱系數(shù)越高，芯片溫度降低的幅度越小，可見單純提高導熱系數(shù)并不能大幅提高冷卻液的散熱性能。因此，還需從冷卻液的其他熱物性方面入手（如提高比熱）來增強工質(zhì)的散熱性能，以期獲得一種具有較高導熱系數(shù)以及較大等效比熱的潛熱型低熔點液態(tài)金屬功能熱流體。

   1 液體散熱技術(shù)

CPU芯片過熱所導致的“電子遷移”是造成CPU內(nèi)部芯片損壞的主要原因。電子遷移是指電子流動所引起的金屬原子遷移的現(xiàn)象。在芯片內(nèi)部電流強度很高的金屬導線上，電子的流動會給金屬原子一個動量，當電子與金屬原子碰撞時，可能會使金屬原子脫離金屬表面四處流動，導致金屬表面上形成坑洞或凸起，這是一個不可逆轉(zhuǎn)的永久性傷害。如果這個慢性過程一直持續(xù)，則將最終造成內(nèi)部核心電路的短路或斷路，徹底損壞CPU。

液體冷卻是一種非常有效的散熱手段，被廣泛應用在工業(yè)上，如強激光和高功率微波技術(shù)的散熱系統(tǒng)、汽車發(fā)動機的熱交換等。液體具有非常高的比熱容，可以在CPU 芯片的發(fā)熱部位吸收大量的熱，而且由于良好的流動性，液體可以流動到其他低溫部位再將熱量排出，這樣連續(xù)不斷地吸熱和散熱，保證了芯片部位一直處于較低溫度，從而達到保護芯片的目的。

表1  目前ＣＰＵ芯片的散熱方式

常用的液體冷卻方式有三種：大器件的液體冷卻循環(huán)技術(shù)、熱管技術(shù)和霧化噴射冷卻技術(shù)。大器件的液體冷卻循環(huán)系統(tǒng)最常用，也已經(jīng)有多種產(chǎn)品問世；熱管技術(shù)在筆記本電腦中的應用較多，在臺式電腦中應用較少；而液體噴射冷卻技術(shù)只見文獻報道，未見實際應用。目前研究較多的冷卻液是水、液態(tài)金屬和納米流體。納米流體多用于汽車發(fā)動機的冷卻，其優(yōu)異的傳熱性能備受關注，在電子芯片散熱方面也有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

2　液體散熱器的結(jié)構(gòu)

2.1　常用液冷循環(huán)系統(tǒng)

通常的液體散熱器即大器件的液體循環(huán)冷卻系統(tǒng)如圖１所示，由一根出水管、一根進水管和與芯片接觸的蓄水槽組成。其中蓄水槽的部分是最重要的部分，其內(nèi)部構(gòu)造決定散熱效果的優(yōu)劣，以微槽通道聯(lián)通液體循環(huán)的路徑。另外液體的循環(huán)需要外加動力源，于是在系統(tǒng)中還必須要有一個水泵給液體施加壓力，使其流動起來。

圖１　常用液冷循環(huán)系統(tǒng)示意圖

如果電腦發(fā)熱量較大或需要長時間大負荷運行，還可在散熱器的冷凝段加風扇，用以加速液體的冷卻，但這樣做也會產(chǎn)生負面影響，如耗電、傳送距離短、有噪音、體積大、安裝麻煩等。為了解決外接動力源，達到節(jié)能的目的，可以使用電滲流微泵（EOF-micro-pump）作為流體驅(qū)動裝置，微通道冷卻系統(tǒng)（Micro-channel cooling system）就是一種具有非常理想的散熱效率的裝置，系統(tǒng)的最大散熱功率超過200W，完全能夠滿足芯片的散熱要求。電滲泵原理如圖2所示。

圖２　電滲泵原理圖

楊濤對多孔介質(zhì)電滲泵性能進行了研究，分析了電滲泵的流率和壓力，研究證明電滲泵符合液體冷卻系統(tǒng)的要求。電滲泵基于電滲作用驅(qū)動電解液向前流動，稱之為電滲流，可在液體中利用其中的離子進行能量轉(zhuǎn)換，使液體流動。這種方法可以很好地實現(xiàn)外加動力、減小體積和方便安裝等功能目標。電滲泵無可移動部件，性能優(yōu)良，是微流體系統(tǒng)首選的驅(qū)動泵。

2.2　霧化噴射冷卻系統(tǒng)

霧化噴射冷卻是通過霧化噴管借助高壓氣體（氣助噴射）或依賴液體本身的壓力（壓力噴射）使液體霧化，將其強制噴射到發(fā)熱物體表面，從而實現(xiàn)對物體的有效冷卻技術(shù)。霧化噴射冷卻是大量霧化后的微小液滴群撞擊被冷卻壁面的行為，該物理過程的換熱機理十分復雜，眾多影響因素相互牽連，給實驗研究帶來了很大困難。霧化噴射冷卻的簡化示意圖如圖３所示。霧化噴射冷卻是一種非常有前景的高熱流強制冷卻技術(shù)，其換熱強烈，具有很高的臨界熱流密度值（CHF），且冷卻均勻，適用于一些對溫度要求很嚴格的領域（如在微電子、激光技術(shù)、國防、航天技術(shù)等），并顯出獨特的優(yōu)勢和重要性。液體噴射冷卻是一種利用液體吸收熱量并依靠液體良好的流動性帶走熱量的高傳熱率的散熱手段，當液流噴射速度達到47m/s時，其散熱能力高達1700，該技術(shù)已應用于冶金、化工等多種工業(yè)過程中。劉天軍設計了一種基于疊堆式壓電陶瓷驅(qū)動流體對芯片底層進行噴射冷卻的冷卻器，疊堆式壓電陶瓷微位移器與壓電薄膜相比，具有位移分辨率高、頻響高、承載力大的優(yōu)點。這種方法對電子元器件的冷卻效果非常理想，可以使器件表面的溫度降低到所要求的溫度，而且冷卻的速度非?？?，能夠滿足電子元器件持續(xù)增加的發(fā)熱功率對散熱的要求。但對于電子元器件而言，冷卻液還需具有惰性、絕緣性和優(yōu)良的導熱性，同時散熱器也應具有完善的封裝技術(shù)。

圖3　霧化噴射簡化示意圖

目前此項技術(shù)還處于理論研究階段，理論分析還不夠深入，主要依靠實驗模擬手段，還難以達到工業(yè)化生產(chǎn)的目標。

2.3 熱管冷卻系統(tǒng)

熱管是一種非常有效的傳熱元件，其原理簡單，基本工作原理如圖4所示。

圖4 熱管工作示意圖

典型熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成0.13×10-0.13Pa的負壓后充入適量的冷卻液，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯（毛細多孔材料）中充滿液體，然后加以密封。管的兩端分為蒸發(fā)段和冷凝段，二者可以互換。當熱管的一端受熱時，液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向溫度較低的另一端，放出熱量后凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料依靠毛細力作用流回蒸發(fā)段，形成循環(huán)，熱量就由熱管的一端傳至另一端。由于在蒸發(fā)端，液體經(jīng)過毛細孔時會出現(xiàn)彌散效應，王補宣等進行了平行平板間填充球粒填料的傳熱特性實驗研究，發(fā)現(xiàn)平行平板間填充小顆粒球粒具有較好的強化傳熱效果，與不填充填料時相比，其對流換熱系數(shù)一般增加3-5倍。

表2　三種散熱器件的對比

由表2可知，三種散熱技術(shù)中，普通的水冷散熱循環(huán)，原理簡單、技術(shù)要求低，容易規(guī)模化生產(chǎn)，但散熱效果相對較差，雖能夠滿足較高要求的計算機散熱，但難以適應未來計算機芯片的高速發(fā)展。熱管技術(shù)的工藝要求相比液體噴射系統(tǒng)低許多，且技術(shù)成熟度明顯高于后者，散熱效果也明顯優(yōu)于普通液冷循環(huán)系統(tǒng)，因此熱管技術(shù)應該是未來計算機冷卻散熱系統(tǒng)的首選。倘若液體噴射系統(tǒng)的技術(shù)更加成熟，工藝要求更加簡單，則很有可能取代熱管系統(tǒng)。

3冷卻液材料

3.1　水

目前關于液冷散熱的研究，大多采用水作為冷卻液。水作為最常用的液體工質(zhì)，具有非常高的比熱容和優(yōu)異的流動性，且非常廉價，因此具有很強的實用性。常用液冷材料的一些熱物性如表3所示。

表3　常用液冷材料的一些熱物性

從表3可以看出，水是比較理想的冷卻液材料，但若能在水中添加少許乙二醇、丙三醇等粘度較大的液體，可改善水的性能，提高其比熱容、導熱系數(shù)，降低揮發(fā)性，從而改善冷卻效果，使水冷散熱器的散熱效果更加顯著，提高其開發(fā)和應用價值。

3.2　液態(tài)金屬

利用金屬液體作為散熱工質(zhì)最早應用在核反應堆的熱傳導上。2002年，華中科技大學劉靜提出其在CPU芯片散熱方面的應用，隨后引起多方關注，國內(nèi)外普遍圍繞液態(tài)金屬作為冷卻液展開研究。2013年華中科技大學鄧越光對實驗的液態(tài)金屬的原型的關鍵參數(shù)進行了優(yōu)化。熱傳導回路中的電磁泵和翅片散熱器是影響冷卻系統(tǒng)的表現(xiàn)的關鍵因素。經(jīng)過實驗比較，盡管液態(tài)金屬的散熱效果在熱功率低于100W時僅次于熱管，但是，在加熱功率在400W或更高時，液態(tài)金屬有更好的散熱性能。圖5、6 為電磁泵及其原理示意圖。液態(tài)金屬目前的工作主要包括降低液態(tài)金屬的熔點，研究液態(tài)金屬的粘度、導熱系數(shù)、比熱容等熱物性和驅(qū)動方式及尋找新的液態(tài)金屬成分以降低成本等方面。2005年，第一家液體金屬散熱器公司Dynamics成立，2008年，第一代液態(tài)金屬散熱器LM-10問世，后來又有其升級版問世。

圖5   典型的電磁泵

圖6  泵內(nèi)流體的路徑示意圖

表4  鎵銦合金液態(tài)金屬與水的部分熱物性

液態(tài)金屬是熔點特別低的金屬如Na、K、Ga、In等形成的合金，其在常溫甚至零度以下也保持液體形態(tài)，從而能夠代替水等常規(guī)冷卻液。由于金屬的導熱系數(shù)遠遠高于水，液態(tài)金屬的流動性能也非常出眾，同時熔點也可以降低到零度以下，與水相比其使用范圍更廣，因此液態(tài)金屬有很大的潛力。鎵銦合金液態(tài)金屬與水的熱物性比較如表4所示。

為進一步提高液態(tài)金屬的導熱性能，馬坤全等根據(jù)納米流體理論，以液態(tài)金屬為基液，添加納米顆粒，配制成納米流體。由于大多數(shù)固體材料的導熱系數(shù)均大于液體，因此由顆粒和流體組成的混合物導熱系數(shù)將高于液體本身的導熱系數(shù)，而且液態(tài)金屬的密度大，可以使納米流體的顆粒含量更高且不易沉降，同時系統(tǒng)也更加穩(wěn)定，導熱性能比其他基液的納米流體更強，制備以液態(tài)金屬為基液的納米流體是目前研制導熱性最強的終極冷卻劑的技術(shù)途徑。另外，液態(tài)金屬還可采用電磁驅(qū)動的方式進行驅(qū)動，這種驅(qū)動方式無運動部件，具有可靠性高、振動噪聲小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、功耗小、可控性強等優(yōu)點。液態(tài)金屬的優(yōu)勢非常突出，同時缺點也很明顯，即價格昂貴。而相對低廉的Na、K合金又具有極大的危險性，用Ga、In做成的散熱器LM-10的價格是目前最好的風冷散熱器的３倍以上，但散熱效果卻沒有明顯改善，不具有市場競爭力。

3.3納米流體

在普通冷卻液（水、乙醇等）中添加納米液滴，可以增強其導熱性。2006年馬里蘭大學帕克學院機械工程系的Yang.b和Han,Z.H.等考察了納米液滴添加到FC-72（全氟化學品）中對其傳熱能力的增強效果，其中液滴直徑約9.8nm，體積分數(shù)為12%，測得的有效熱導率增加了52%。由于FC-72常用于浸入式芯片散熱的工質(zhì)，添加納米液滴到這種介質(zhì)中可望提高芯片的冷卻效果。由于固體顆粒具有比液體高幾個數(shù)量級的導熱性能，因此添加固體納米顆粒配制成的溶液，其導熱系數(shù)要比普通的純液體高出許多。表5是多種納米材料與水的導熱系數(shù)的對比。

表5　多種納米材料與水的導熱系數(shù)

納米流體是指在液體基液中加入金屬、金屬氧化物或非金屬的納米顆粒配制而成的較穩(wěn)定的懸浮液。Eastman等通過氣相沉積法制備了Cu－機油、CuO－水、Al3O2－水等幾種納米流體，通過靜置實驗及電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，納米流體懸浮液中粒子分散性較好、懸浮穩(wěn)定性較高，納米流體可穩(wěn)定懸浮一周左右，且有效導熱系數(shù)比其固相提高了40-150%。郭守柱等發(fā)現(xiàn)在液體中加入磁性納米顆粒，在磁場的作用下可使液體導熱系數(shù)提高300%。納米流體在熱力學上是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)，懸浮著的顆粒終究會因團聚而沉降，因此延長顆粒物的懸浮時間便是一個非常重要的研究方向。楊雪飛通過對SiO2納米顆粒進行表面改性，使SiO2表面形成“Si-O-Si”的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而制備出懸浮穩(wěn)定性能優(yōu)異的納米流體，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間超過一年。金屬單質(zhì)的導熱性能非常好，但納米級別的金屬單質(zhì)具有危險性，因此應該在它們的氧化物中尋找更加合適的納米粉體。目前對納米流體的研究主要集中在系統(tǒng)穩(wěn)定性和納米粉體種類的選擇上，其中碳納米管、納米SiO2、納米CuO。

４　結(jié)束語

計算機芯片的發(fā)熱量不斷增加，傳統(tǒng)的風冷散熱方式會被逐漸淘汰，功能更加強大的液體冷卻方式將成為主流。散熱器件和冷卻液的性能直接影響著散熱效果的好壞。常用散熱循環(huán)系統(tǒng)、熱管和液體噴射系統(tǒng)三者各有優(yōu)點，但就目前來看，普通液冷循環(huán)系統(tǒng)更占優(yōu)勢；熱管系統(tǒng)應該在降低成本和簡化工藝上做進一步的研究，其很有可能成為主流器件；而液體噴射技術(shù)則需要在簡化結(jié)構(gòu)和理論分析上做進一步的研究。水作為CPU散熱的冷卻液材料目前還能滿足要求，但長遠來看，純水將被納米流體和液態(tài)金屬所替代。液態(tài)金屬雖具有優(yōu)于納米流體的導熱系數(shù)，但其高昂的價格難以讓普通消費者接受，且性價比不高，降低成本和提高潛熱等熱物性將是其主要的研究方向。納米流體具有很好的導熱系數(shù)和較大的比熱容，將會是未來CPU散熱冷卻液材料最合適的選擇，其下一步的研究重點應放在提高穩(wěn)定性和導熱系數(shù)等熱物性上。

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