電子產(chǎn)品冷卻新技術(shù)
當(dāng)今高性能芯片產(chǎn)生的熱量已經(jīng)達(dá)到了每平方厘米100W，未來(lái)的芯片可能會(huì)產(chǎn)生更高的熱量。人們預(yù)計(jì)如果不采用更為有效的散熱手段，芯片的溫度甚至可以和太陽(yáng)表面一樣高。一些企業(yè)以及教育研究機(jī)構(gòu)從降低元件發(fā)熱量以及強(qiáng)化傳熱兩個(gè)方向，新材料、新工質(zhì)、新方法、新技術(shù)等不同的角度著手進(jìn)行研究，試圖找到更為有效的散熱方法。以下介紹近幾年來(lái)發(fā)展出的幾種電子產(chǎn)品冷卻新技術(shù)，不一定所有的新技術(shù)都能得到商業(yè)應(yīng)用，但至少可以為我們提供一種新的思路和視角。
1 新型散熱材料
新型散熱材料的開發(fā)包括兩個(gè)部分，一是外部散熱材料的開發(fā)；一是電學(xué)性能較好或?qū)嵯禂?shù)較高的半導(dǎo)體材料的開發(fā)。
1.1 英特爾開發(fā)新材料打破芯片散熱瓶頸 07年1月，據(jù)美聯(lián)社報(bào)道，英特爾開發(fā)出的新材料用來(lái)取代二氧化硅，能
夠降低電子泄露10倍以上，可以降低芯片發(fā)熱量及結(jié)點(diǎn)溫度，從而提升晶體管性能20%以上。
1.2 陶瓷材料
一般陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù): 20～30W
/m ⋅ K ；高導(dǎo)熱陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)：
150～180W
/m ⋅ K ；耐壓: 10～12 KV；耐溫: 1200℃；硬度: 80 度；其耐腐蝕，
耐磨，耐高溫，超硬度，表面光潔，可拋成鏡面等特殊性，使其廣泛應(yīng)用于電子散熱領(lǐng)域。
陶瓷材料一般裝在發(fā)熱元器件與散熱片中間，起到絕緣與導(dǎo)熱的作用，通常稱為基片或墜片。提高陶瓷片的導(dǎo)熱系數(shù)，可以減小內(nèi)熱阻。
微孔洞化陶瓷散熱片（Micro-Porous Ceramics），采用孔洞化的結(jié)構(gòu)擴(kuò)大散熱面積，以產(chǎn)生良好的對(duì)流散熱效果，可以降低元器件的外熱阻。
新型陶瓷材料或稱高導(dǎo)熱性陶瓷材料即通過(guò)改變陶瓷材料的成分，提高其導(dǎo)熱系數(shù)，以用于上面的兩個(gè)用途。
1.3 石墨
石墨的密度比銅小80%，比鋁小30%。其垂直方向的導(dǎo)熱系數(shù)在6～60 W/m⋅K之間，水平平面方向的導(dǎo)熱系數(shù)則高達(dá)1500W/m ⋅ K ，這種特點(diǎn)可以使
其在兩個(gè)方向上均勻地散布熱量，消除“熱區(qū)”；可以使熱量按照一定的方向來(lái)流動(dòng)，把熱源與其他組件進(jìn)行屏蔽。 并且石墨散熱片有著絕佳的表面接觸，能平滑貼敷在任何平面和彎曲的表
面。 石墨片可在-40℃～500℃的環(huán)境下正常使用。 石墨主要應(yīng)用在如筆記本電腦、平板顯示器、便攜式投影儀、數(shù)碼攝像機(jī)、
移動(dòng)電話以及LCD（Liquid Crystal Display：液晶顯示器）、PDP(Plasma Display Panel：等離子體顯示器)、DVD等消費(fèi)電子領(lǐng)域。
2 微通道冷卻
2.1 “芯片級(jí)”水冷 美國(guó)Cooligy于04年國(guó)際研討會(huì)“A Symposium On High Performance Chips
（HOT CHIPS）”上圍繞解決微處理器散熱問(wèn)題的LSI（大規(guī)模集成電路）冷卻發(fā)表了“Active Micro-Channel Cooling” 技術(shù)。
圖1.“Active Micro-Channel Cooling”系統(tǒng)
該方法是在微處理器等封裝容器的上部粘貼一種名為“Heat Collector”的材料。該材料在垂直方向上設(shè)計(jì)有無(wú)數(shù)的突起，Heat Collector 收集的熱量傳遞到突起的末端，該突起名為“Micro-Channel”，即微通道。通過(guò)讓液體在
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這些突起周圍循環(huán)流動(dòng)，將熱量散發(fā)出去。其中的液體是在水中添加少量物質(zhì)制成的。
圖2. CPU、Heat Collector和Micro Channel，
(紅色部分是以模型化方式顯示的熱量，水在突起的周圍不斷循環(huán))
Cooligy 在使液體循環(huán)流動(dòng)的動(dòng)力泵上費(fèi)了一番心思。其動(dòng)力泵不是常用的機(jī)械式動(dòng)力泵，而是采用通過(guò)電場(chǎng)使液體流動(dòng)的電動(dòng)力泵。“無(wú)噪音，又因?yàn)椴痪哂袡C(jī)械構(gòu)造，所以可靠性很高”。該動(dòng)力泵利用了液體在流過(guò)圓形多孔性材料時(shí)，會(huì)在多孔性材料細(xì)微的流經(jīng)路徑表面形成電雙層（在兩種不同物體的界面上，正負(fù)電荷分別排列而形成的兩個(gè)電層。在固體與溶液的接觸面，固體表面上帶一種電荷，稱為表面電荷，與固體表面接觸的溶液層則帶上了相反符號(hào)的電荷。）這一現(xiàn)象，通過(guò)電場(chǎng)將液體一端產(chǎn)生的正離子吸引到另一端，以此來(lái)獲取對(duì)液體的推動(dòng)力。該公司將該動(dòng)力泵稱為“Electro-Kinetic Pump”。據(jù)Cooligy稱，通過(guò)調(diào)整動(dòng)力泵直徑以及外加電壓值可以控制液體的流速。
圖3. 電動(dòng)力泵
2.2 IBM 微細(xì)管道散熱新技術(shù)
IBM在BroadGroup功耗和冷卻06年峰會(huì)上公布了一項(xiàng)革命性的電腦芯片散熱解決方案: “高熱傳導(dǎo)界面技術(shù)（high thermal conductivity interface technology）”
圖4. IBM 高熱傳導(dǎo)界面散熱系統(tǒng)
該技術(shù)通過(guò)使用精細(xì)的微型化技術(shù)開發(fā)了一種芯片“帽子”，它的表面布滿了樹狀結(jié)構(gòu)的層級(jí)管道。當(dāng)壓力增加時(shí)，這種結(jié)構(gòu)可以使導(dǎo)熱膠分布得更加均勻，并且平均壓力有望減小到之前的一半，而芯片表面的散熱效率將增大10倍。
圖5. 微米級(jí)的樹狀層級(jí)管道設(shè)計(jì)
為了更好地傳導(dǎo)熱量，一些黏度很高的導(dǎo)熱硅膠被涂抹在芯片和芯片帽之間。利用樹狀層級(jí)管道，這個(gè)架構(gòu)使導(dǎo)熱硅膠能夠最大限度地均勻鋪排，而且鋪排的厚度可以小于10微米。只需平時(shí)力量的二分之一就可以實(shí)現(xiàn)散熱面積的翻倍。
這種獨(dú)特而有效的散熱方式來(lái)自于生物科學(xué)。自然界中可以找到很多擁有層級(jí)管道的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)大多具有多重層疊結(jié)構(gòu)，比如植物的樹葉、根須或者是人體的循環(huán)代謝系統(tǒng)。比納米級(jí)別大得多的各類器官中，這些系統(tǒng)是非常重要的組成部分，古代的灌溉系統(tǒng)也利用了相同的原理。
之后，蘇黎世實(shí)驗(yàn)室又在高熱傳導(dǎo)界面散熱系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了液體（水）直接噴射沖擊冷卻系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)龐大的噴嘴陣列組成，共有5萬(wàn)多個(gè)微型噴嘴（寬度只有30到50微米）將水流噴射到芯片的背面，芯片被無(wú)數(shù)微小的水流直接冷卻，然后再利用樹型結(jié)構(gòu)的管道迅速將水分回收。由于這是一個(gè)完全封閉的系統(tǒng)，所以人們無(wú)需擔(dān)心噴射液體會(huì)對(duì)芯片上的電子元件造成破壞。
該冷卻技術(shù)可以為功耗密度為370W
/cm2 的芯片散熱，已經(jīng)超出現(xiàn)有散熱水
平的6倍（目前風(fēng)冷散熱最高只能為75W /cm2 的芯片提供散熱。），而且這個(gè)
裝置的耗電量比現(xiàn)有的風(fēng)冷裝置都要低。
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