微槽群蒸发器在电子芯片冷却方面的应用

书书书　第５６卷　第３期　　化　　　工　　　学　　　报　　　　　　　Ｖｏｌ．５６　Ｎｏ．３　２００５年３月　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　（Ｃｈｉｎａ）　　Ｍａｒｃｈ　２００５檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文微槽群蒸发器在电子芯片冷却方面的应用胡学功，颜晓虹，赵耀华（中国科学院工程热物理研究所，北京１０００８０）摘要：利用微槽群蒸发型热沉技术设计了一种新颖的用于电子芯片散热的微槽群蒸发器，对影响微槽群蒸发器散热性能的各种因素进行了实验研究．实验结果表明，采用适当的真空度和液容率，可以提高微槽群蒸发器的散热效果．通过与主流的奔腾４ＣＰＵ芯片风冷散热器的散热性能比较发现，在低于芯片许容上限温度（１００℃）的范围内，微槽群蒸发器具有更高的散热热流密度；微槽群蒸发器更适用于具有高发热热通量和热敏性强的高性能电子芯片的冷却．关键词：电子芯片；微槽群蒸发器；液容率；风冷散热器中图分类号：ＴＫ１２４　　　　　　文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２００５）０３－０４１２－０５犃狆狆犾犻犮犪狋犻狅狀狅犳犿犻犮狉狅犮犪狆犻犾犾犪狉狔犵狉狅狅狏犲犲狏犪狆狅狉犪狋狅狉狋狅犲犾犲犮狋狉狅狀犻犮犮犺犻狆犮狅狅犾犻狀犵犎犝犡狌犲犵狅狀犵，犢犃犖犡犻犪狅犺狅狀犵，犣犎犃犗犢犪狅犺狌犪（犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犜犺犲狉犿狅狆犺狔狊犻犮狊，犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊，犅犲犻犼犻狀犵１０００８０，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ａｎｏｖｅｌｍｉｃｒｏｃａｐｉｌｌａｒｙｇｒｏｏｖｅｅｖａｐｏｒａｔｏｒｆｏｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｈｉｐｃｏｏｌｉｎｇｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｍｉｃｒｏｃａｐｉｌｌａｒｙｇｒｏｏｖｅｈｅａｔｓｉｎｋｔｅｃｈｎｉｑｕｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｖａｒｉｏｕｓｆａｃｔｏｒｓｏｎｃｏｏｌｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｅｖａｐｏｒａｔｏｒｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔａｎａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｖａｃｕｕｍｄｅｇｒｅｅａｎｄｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｌｉｑｕｉｄｓｈｏｕｌｄｂｅｃｈｏｓｅｎｆｏｒｍａｘｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｅｖａｐｏｒａｔｏｒ．ＣｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈａｃｕｒｒｅｎｔｆａｎｃｏｏｌｅｄｒａｄｉａｔｏｒｆｏｒＣＰＵｃｈｉｐｏｆＰｅｎｔｉｕｍ４，ｔｈｅｍｉｃｒｏｃａｐｉｌｌａｒｙｇｒｏｏｖｅｅｖａｐｏｒａｔｏｒｓｈｏｗｅｄｈｉｇｈｅｒｃａｐａｃｉｔｙｗｈｅｎｋｅｅｐｉｎｇｔｈｅｃｈｉｐｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｅｌｏｗ１００℃．Ｉｔｗａｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｃｏｏｌｉｎｇｔｈｏｓｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｈｉｐｓｗｉｔｈｈｉｇｈｐｏｗｅｒａｎｄｔｈｅｒｍａｌｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｈｉｐ；ｍｉｃｒｏｃａｐｉｌｌａｒｙｇｒｏｏｖｅｅｖａｐｏｒａｔｏｒ；ｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｌｉｑｕｉｄ；ｆａｎｃｏｏｌｅｄｒａｄｉａｔｏｒ　　２００３－１２－２５收到初稿，２００４－０４－１５收到修改稿．联系人：赵耀华．第一作者：胡学功（１９６８—），男，博士研究生，助理研究员．基金项目：中国科学院“百人计划”项目；中国科学院知识创新工程重要方向性项目．　引　言随着各种尖端技术领域中所使用的芯片集成度的提高，芯片的体积发热热通量增大的趋势非常迅猛．对于热负荷敏感度较高的微电子器件及微系统而言，热量在芯片处的累积将导致器件和系统温度迅速升高，严重影响电子器件的工作状态和系统的稳定．而一旦超出微电子器件或微系统的许容上限温度，则将烧坏一些关键部位，使整个系统崩溃．因此，配置高效的电子芯片散热系统至关重要．针对大多数微电子器件及微系统，现在广泛使用的有　　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００３－１２－２５．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：Ｐｒｏｆ．ＺＨＡＯＹａｏｈｕａ．犈－犿犪犻犾：[e-mail]　强制空冷、液冷以及电子制冷器制冷等散热方式．但当今大规模集成电路（ＬＳＩ）所需冷却的面热通量已经达到了轻水炉反应堆（ＬＷＲ）的炉心热通量的量级；就计算机领域而言，目前，Ｉｎｔｅｌ公司的奔腾４以及ＡＭＤ公司的主频１ＧＨｚ以上的超级ＣＰＵ等主流芯片，其功率消耗也大都超过了３０Ｗ．单纯的强制空冷方式已难以满足系统散热要求，而其他一些传统散热方法也暴露出了尺寸大、装置复杂、效率低等缺陷．因而，开发新型微冷技术刻不容缓．相变冷却技术是区别于现有冷却技术的另一类正在开发的散热技术．其相变蒸发热通量的理论极限比目前ＬＳＩ最高热通量还要高出约两个数量级．且温度条件满足ＬＳＩ的许容上限温度．目前与之相关的有微热管技术和微槽群蒸发型热沉技术．相比于微热管技术，微槽群蒸发型热沉技术由于受微细管内的流动特性的制约较小，该技术的发展尚不受临界热通量的影响，工程应用前景十分看好．本文研究开发的被动式微槽群蒸发散热技术，不仅仅局限于解决微系统器件及极端条件下微电子器件的散热和国内外微电子设备尤其是ＣＰＵ芯片的冷却问题，该技术的研发和对其机理的深入探讨将对我国的信息、化工、新能源、高性能计算机、空间技术及ＭＥＭＳ等领域的技术进步具有更重要的意义．１　微槽群蒸发器及其性能测试实验系统　　本文所使用的微槽群蒸发热沉的基本结构如图１（ａ）所示．长方形微槽群铜板的正面刻有许多等间距的矩形凹槽，热流从铜板的背面输入．利用毛细力向凹槽中的传热面供给冷却工质，工质的相变过程就发生在凹槽中的这些传热面上．表面张力的大小由弯月面的形状来描述．微槽内液体工质有两种流动行为：其一是在毛细力作用下沿槽道的轴向流动；其二是在槽道横截面方向上，在液体所形成的压力梯度作用下，由固有弯月面区域向蒸发薄液膜区域的流动［１～３］．如图１（ｂ）所示，蒸发主要发生在固液气三相接触线附近的薄液膜区域．液层较厚的固有弯月面区域及三相接触线以上的吸收层区域，由于热阻较大，传热能力较小［４，５］．数值计算结果表明［６］，槽宽０．２ｍｍ的矩形微槽，其壁面过热度为１０℃时的微槽单位面积蒸发换热量可以达到２．５×１０６Ｗ·ｍ－２．在数值模拟［３］的基础上，以图１（ａ）所示的微槽群蒸发热沉结构为基本蒸发换热单元，设计了用于电子芯片散热的微槽群蒸发器，内部结构如图２所示．微槽群热沉铜板２外形尺寸为长４０ｍｍ、宽４０ｍｍ、厚２ｍｍ，矩形微槽长４０ｍｍ、宽０．２ｍｍ、深０．５ｍｍ，微槽间距为０．２ｍｍ，微槽群总宽为３３ｍｍ．电子芯片１的发热表面与微槽群热沉铜板２的无微槽群表面紧密接触，接触面之间填充热导率大于２．９Ｗ·ｍ－１·℃－１的含银导热硅脂，以减少接触热阻．材料为黄铜的蒸发器本体３内部抽真空并灌注一定容积的液体工质．微槽群热沉铜板２的微槽群表面密封于蒸发器内，与蒸发器液池５相垂直，液池５中的液体工质在毛细力作用下被向上吸入微槽中进行蒸发换热，蒸发后的蒸汽主要在弓折形冷端面４的内表面上，通过在弓折形冷端面４外部的自然空冷或强制液冷、强制风冷（风扇）条件进行凝结放热，凝结液体流回蒸发器液池５中，从而完成一个从电子芯片表面取热到向（ａ）ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｍｉｃｒｏｇｒｏｏｖｅｄｈｅａｔｓｉｎｋ　（ｂ）ｓｈａｐｅｏｆｍｅｎｉｓｃｕｓＦｉｇ．１　Ｍｉｃｒｏｇｒｏｏｖｅｄｈｅａｔｓｉｎｋａｎｄｉｔｓｍｅｎｉｓｃｕｓ　Ｆｉｇ．２　Ｉｎｎｅｒｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏｃａｐｉｌｌａｒｙｇｒｏｏｖｅｅｖａｐｏｒａｔｏｒ１—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｈｉｐ；２—ｍｉｃｒｏｃａｐｉｌｌａｒｙｇｒｏｏｖｅｓｈｅａｔｓｉｎｋ；３—ｅｖａｐｏｒａｔｏｒｗａｌｌ；４—ｃｏｎｃａｖｅｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇｓｕｒｆａｃｅ；５—ｌｉｑｕｉｄｐｏｏｌ·３１４·　第３期　　胡学功等：微槽群蒸发器在电子芯片冷却方面的应用外部环境散热的工作循环．微槽群蒸发器的散热性能测试系统如图３所示．采用电加热的方法来模拟实际中的台式ＰＣ的ＣＰＵ芯片的发热情况．电加热装置２的功率在０～５００Ｗ之间连续可调．用圆柱状电加热铜棒１的头部端面来模拟芯片的发热表面，其头部端面面积与实际芯片发热表面面积相当．在微槽群蒸发器的弓折形冷端面外部配置风扇７以强化蒸发器内部工质的凝结换热过程．电加热铜棒１的直径为１８ｍｍ，沿电加热铜棒１轴向方向在距离电加热铜棒１的头部端面１７、９．５和２ｍｍ处敷设３根０．５ｍｍ的镍铬镍铝热电偶３，热电偶３与数据采集系统４相联，数据采集系统４通过数据信号线５与计算机６连接，使温度数据得以被实时监测和分析处理．利用所测的温度数据，通过一维稳态导热的傅里叶定律表达式可以得到通过加热棒头部端面（芯片发热表面）的热通量狇并可换算出加热棒头部端面（芯片发热表面）温度狋的数值．为减少测量误差，电加热铜棒１被放置在四周铺设有厚层隔热材料的电加热装置２中，仅头部端面外露以方便与微槽群蒸发器进行紧贴．Ｆｉｇ．３　Ｃｏｏｌｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｉｃｒｏｃａｐｉｌｌａｒｙｇｒｏｏｖｅｅｖａｐｏｒａｔｏｒ１—ｔｏｐｏｆｈｅａｔｅｒ；２—ｅｌｅｃｔｒｉｃｈｅａｔｅｒ；３—ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅｓ；４—ｄａｔａｌｏｇｇｅｒ；５—ｓｉｇｎａｌｌｉｎｅ；６—ｃｏｍｐｕｔｅｒ；７—ｅｌｅｃｔｒｉｃｆａｎ；８—ｍｉｃｒｏｃａｐｉｌｌａｒｙｇｒｏｏｖｅｅｖａｐｏｒａｔｏｒ　２　实验结果与讨论２１　影响微槽群蒸发器散热性能的因素本文中，液容率犾定义为微槽群蒸发器中液体工质的体积所占蒸发器液池体积的百分比．图４所示为蒸发器内部压力狆在５×１０－３Ｐａ、凝结用风扇功率犘ｆ为３．１２Ｗ时，不同蒸馏水液容率犾下的微槽群蒸发器的换热曲线．在散热热通量小于２．２３×１０５Ｗ·ｍ－２的条件下，液容率的增大都将使同等散热热通量下的芯片表面温度降低．热负荷大于２．２３×１０５Ｗ·ｍ－２时，比较图４中的液容率犾为３０％和液容率犾为４５％的换热曲线发现，增大液容率反而使相同散热热通量下的芯片表面温度升高．当热负荷进一步提高时，比较液容率犾为３０％和液容率犾为６０％两条换热曲线，也有出现这种规律的趋势．出现这种现象的原因可能在于：液容率大意味着蒸发器中的液位较高，液体向上流动到微槽群受热区域的流动阻力较小，蒸发过程中液体工质的补充更为容易，因而，在较低热负荷下，蒸发器有着相对较好的散热性能；但另一方面，液容率的增大造成蒸发器的弓折形冷端凝结面积减少，这可能使蒸发器在较高热负荷时，散热条件恶化．Ｆｉｇ．４　Ｃｏｏｌｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｓｏｆｌｉｑｕｉｄ　Ｆｉｇ．５　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｖａｃｕｕｍｄｅｇｒｅｅｏｎｅｖａｐｏｒａｔｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ　蒸发器内部的真空度对蒸发器散热性能的影响如图５所示．对于采用乙醇、液容率犾为４５％和凝结用风扇功率犘ｆ为４．８Ｗ的微槽群蒸发器，分别取狆为５×１０－３、２×１０－２和５×１０－２Ｐａ时的换热曲线进行比较发现，狆为２×１０－２Ｐａ时蒸发器的散热效果最好．在低于芯片许容上限温度（１００℃）的范围内，该压力下的最大散热热通量的数值最大，达到４．０×１０５Ｗ·ｍ－２．同时，在相同的·４１４·化　　　工　　　学　　　报　　第５６卷　散热热通量条件下，该压力下的芯片表面温度最低，狆增加到５×１０－２Ｐａ时的换热效果次之．这主要是由于通过抽真空可以有效去除蒸发器内残留的不凝结性气体，减小蒸发和凝结热阻，并且降低液体工质的沸点，从而使换热效果得到大幅度地提高；但当蒸发器内残留的不凝结性气体通过提高真空度而变得很少时，其对蒸发和凝结热阻的影响可以忽略，再继续提高真空度将不会使微槽群蒸发器的散热效果得到进一步的加强；另一方面，实验中，要使系统达到并维持过高的真空度（过低的绝