9种芯片级热管理的冷却技术分析介绍

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芯片热管理是确保集成电路和微电子系统稳定运行的关键技术。随着集成电路技术的快速发展，尤其是3D集成等先进封装技术的引入，芯片的集成度和功耗不断增加，导致散热问题日益突出。以下是根据研究人员总结的一些关键技术。

▌空气冷却

据驱动力主要分为两类：自然对流冷却和强制对流冷却。自然对流冷却利用空气作为传热介质，并依靠流体的密度差来诱导气流进行散热。虽然这种方法以其简单性和可靠性而闻名，但其散热能力有限 。另一方面，强制对流涉及使用风扇主动驱动气流，显着提高气流速率并增强散热。据估计，强制对流的冷却能力是自然对流冷却的5到10倍。这是最常用的散热方式，适用于大多数应用场景，但可能不适用于高热流密度的场合。

▌微通道冷却

由于处理器、内存和其他IT组件的热量输出不断增加，液体冷却技术正变得越来越流行，这归因于其不断上升的热设计功率（TDP）和功率密度。与空气冷却相比，液体冷却表现出卓越的热力学效率，因为液体的热容量明显更高，使它们能够吸收、储存和运输更多的能量。冷板液体冷却是使用最广泛的液体冷却形式，其中冷板取代了传统的散热器，泵代替风扇来循环冷却液。与将热量分散到较大散热器的风冷系统相比，该技术可有效地去除有限空间内的集中热量。对液冷散热器的研究主要集中在优化冷却介质和结构上。通过在芯片表面或内部构建微小的流体通道，使用液体冷却剂直接吸收和带走热量，适用于高热流密度的场合。

▌嵌入式冷却

将冷却元件（如微通道或热管）嵌入到芯片或封装内部，以提高热传递效率。实现微尺度芯片的高效散热涉及在半导体芯片的背面加入微米/亚微米尺度的微流体通道。这有利于冷却剂通过微通道循环，以实现直接芯片冷却，这一概念称为嵌入式液体冷却（ELC）架构。这种创新方法将微通道冷却集成到芯片封装结构中，利用芯片背板作为散热器。这样做可以有效地最大限度地减少芯片散热的传热路径，从而降低整体热阻。

▌浸没冷却

浸入式冷却是一种用于冷却IT设备的高效技术，通过将设备浸入导热但导电性差的介电流体或冷却剂中来产生大量热量。这种方法允许冷却介质和发热组件之间直接接触，从而实现卓越的传热效率和改善设备内的温度均匀性。与空气冷却和冷板液体冷却相比，浸入式冷却通过消除运动部件引起的振动、防止电触点氧化腐蚀、减少温度波动以及减少受颗粒物、湿度和温度变化等外部因素的影响，提高了数据中心冷却的可靠性。浸入式冷却可分为单相浸入式冷却（SPIC）和两相浸入式冷却（TPIC），具体取决于冷却介质是否发生相变。单相浸入式冷却涉及使用冷却剂进行热交换，没有任何相变。这种方法被认为更安全，因为它避免了在运行过程中从冷却介质中产生气体或蒸汽，从而防止了因过压而对系统造成潜在损坏。另一方面，由于汽化潜热，两相浸入式冷却系统提供了增强的冷却能力，比单相系统更具优势。

▌喷雾冷却

通过喷雾的方式将冷却剂直接喷到热源上，利用相变过程带走热量。在喷雾冷却系统中，由压力雾化或气体雾化喷嘴产生的液滴细小喷雾被引导到目标热表面。撞击时，液滴扩散并经历蒸发或形成薄液膜等过程。这导致通过蒸发和单相对流实现高传热速率。当喷雾液滴撞击到热、干燥的表面或液膜上时，可能会出现反弹、沉积、飞溅、蒸发、成核沸腾、起泡、过渡沸腾和薄膜沸腾等现象 。喷雾的持续冲击迫使冷却剂对流，有助于增强冷却效果。随着壁面温度的升高，喷雾冷却过程经历三个阶段。单相对流传热在低壁温下占主导地位，热通量随壁温线性变化。随着壁温的升高，成核沸腾开始，进入两相区域，这大大增加了热通量。

▌射流冷却

使用高速液体射流直接冲击热源，通过冲击和液体蒸发来散热。射流冲击冷却技术的工作原理是将高速冷却剂射流引导到发热表面，并在热源和流体之间形成薄的热边界层和速度边界层。冷却介质可以是气体或液体。当壁射流向外围延伸时，边界层变厚，导致传热效率降低。通常采用多个喷嘴来克服这一限制并实现更大区域的温度控制。射流撞击冷却的有效性受流动布置和撞击表面的热/化学特性等因素的影响。根据与芯片的接触方式，射流冲击冷却可分为间接冷却和直接冷却。直接冷却的特点是传热环节较少，热效率高，需要考虑潜在的危险，例如冷却剂冲击、沸腾扰动和其他影响切屑结构的过程。

▌热管

利用热管的高效热传导性质，将芯片产生的热量快速传递到热沉或其他冷却元件。热管是一种无源两相传热装置，具有积分热阻低、导热系数高、结构紧凑、稳定性和可靠性好等优点。它已成为电子领域至关重要的散热元件。热管通过促进封闭管内工作介质的重复相变（蒸发和冷凝）来工作。它通常包括三个部分：蒸发器、绝热部分和冷凝器。在向蒸发器部分加热后，工作流体发生蒸发。由此产生的压力差将蒸汽推向热管的冷却部分，在那里冷凝，释放出潜热。在灯芯的推动下，毛细管力将冷凝水输送回蒸发器。

▌热电冷却

利用热电效应（Peltier效应）来冷却芯片，通过电流通过热电材料时产生的温差来制冷。基本材料和结构因素的限制，导致TE冷却系统效率低下和高成本，是该技术实际应用的主要制约因素。未来的研究将继续集中在开发更高效的TE材料和改进制冷系统的设计上。

▌ 电热冷却

这是一种较新的技术，通过电热材料在电流作用下产生热量，并通过热交换器将热量传递到冷却剂中。电热（EC）冷却是一种基于EC效应的固态制冷技术，EC效应是一种热力学现象，其中介电材料中的可逆温度变化是通过在施加的电场下调制其偶极熵来实现的。EC效应由电场驱动，不需要大型压缩机、泵或磁铁。材料研究是EC冷却中的一项重要任务。陶瓷和聚合物是当前研究中涉及最多的材料。陶瓷材料具有更高的导热性，可用于较厚的设备，而多层陶瓷片式电容器（MLCC）被认为是EC冷却元件的最佳结构。聚合物的导热性较低，因此需要更薄的结构以最大限度地减少传热热阻。

每种技术的研究方向、优势、局限性和应用开发阶段的总结如下：

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