浅谈对我国半导体制冷器的CPU散热管理的研究

姜文新

摘要：随着计算机工业的迅猛发展，CUP的运行速度越来越快，发热量也越来越高，CPU散热器发展迅速。为对CPU散热器具有更多的认识，本文阐述了CPU的发展历程以及CPU散热器的发展背景，叙述了CPU散热器的散热方式、现状和未来发展趋势。

关键词：半导体制冷器；CPU散热管理

1 CPU散热器的应用背景及研究意义

伴随着 CPU 性能的不断提高， 其发热量较以前有了大幅度的提高。那么， CPU 的冷却问题就越来越突出， 据有关资料显示， 对于包括 CPU 在内的电子设备， 现在的失效问题的 50% 都是由于过热引起的[2]。早期的 CPU 芯片功率不足 10W， 不需要用散热器， 上个世纪 90年代中期以后， 随着CPU 主频和集成度大幅度提高， CPU 的功率和发热量明显提高， 到 2004年 Inte l公司推出的 P entium 4 主频为 3. 6GH z的 CPU 功率更是达到 115W。如此大的功率严重威胁到CPU 的工作和发展， 而 CPU 必须借助散热器才能工作， 虽然In tel在 2006下半年推出酷睿双核心将功耗降低近一半， 每个核心的功耗只有 30W 至 35W， 与上一代英特尔台式机处理器产品相比， 英特尔酷睿 2台式机处理器在提供 1. 4倍的CPU 计算性能同时， 能耗降低了 40% ， 但是对于现在一些四核的 CPU 来说， 功率仍然很高。为适应 CPU 发展过程中功耗的不断变化， CPU 散热器也有了长足的发展。

2 CPU散热冷却方法分类及存在问题

散热分为被动与主动两种， 被动散热是通过散热片将CPU 产生的热量自然散发到空气中， 其散热的效果与散热片的面积成正比， 这种散热方式简单且安全可靠， 但散热效果不理想， 难于适用当前 CPU 散热的需要； 主动式散热是利 用风扇或泵体等设备将散热片上的热量以强制对流的方式 带走， 这种散热方式散热效率高， 是目前 CPU 散热的主要方式。

2.1 热管散热

热管制冷运用了热力学的一条基本原理：当有温差存在时，热量必然会从高温物体传到低温物体，或从物体的高温部分传至低温部分。热管是将一真空金属管置于散热片中，内置一吸热芯及沸点很低的液体。工作时，由于温度升高，一端的液体吸热汽化，飞速到达管子的另一端，而后因这一端温度较低，从而放热液化，并流回去。这样通过液体在两态之间的变化及在管子两端之间的流动，有效地散去了从芯片吸收的热量，达到了较好的散热效果。

热管散热存在问题： 如大幅增加散 热器表面积， 增加了散热器的体积； 采用导热率更高的铜鳍 片代替铝鳍片， 增加了散热器的质量。这些都制约了风冷 散热器的发展为了能进一步降低散热器的热阻值提高热传导率， 将 工业中广泛使用的热管应用于台式机 CPU 散热器上。热管 是一种高效率利用相变传热的热传导器， 其热阻可以达到 每瓦千分之一摄氏度， 传热量可以超过 50千瓦[3]。 1984 年在第五届国际热管会议上， T. P. Co t te r等人提出微型热 管和小型热管 （ MHP ）的理论及展望， 从而引起了热管在电 子元器件散热方面的广泛应用。热管只是导热装置， 其本 身并不具备散热的作用， 它只能用很快的速度将热量从一 端传至另一端， 而最终的散热还必须依靠金属材质的底座 与鳍片。在底座与鳍片的材质也就只有这两种。

2.2半导体制冷

半导体制冷片的工作原理是 P e ltier 效应： 当一块 N 型 半导体材料和一块 P 型半导体材料联结成电偶对时， 在这 个电路中接通直流电流后， 就能产生能量的转移， 电流由 N 型元件流向 P型元件的接头吸收热量， 成为冷端， 由 P 型元 件流向 N 型元件的接头释放热量， 成为热端。吸热和放热 的大小是通过电流的大小以及半导体材料 N、P 的元件对数 来决定。该方法很早就已经出现， 但始终没有得到推广， 近 年来在极其缓慢的增加。虽然半导体制冷的效能非常强 劲， 工作时冷端最低温度可以达到零下， 但由于同时在热端 会产生巨大的热量， 极易损坏， 而且耗电量惊人。有厂商曾 小批量的推出过采用半导体散热器的显卡， 但由于返修率 高的问题都没有大量出货。

3新型CPU散热技术的提出

3.1 热管散热技术

热管是一种具有極高导热性能的新型传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，它利用毛吸作用等流体原理，起到良好的制冷效果。具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、温度可控制等特点。将热管散热器的基板与晶闸管、igbt、igct等大功率电力电子器件的管芯紧密接触，可直接将管芯的热量快速导出。

3.2 微通道散热技术

微通道热沉的概念最早由 Tuckerman 和 Peace于 1981 年提出的，它是由具有高导热系数的材料构成.根据 Riddle 等 的研究：流量一定时 ，矩形通道中流体总的热传导系数与通道水力直径成反比 .随着通道直径的减小 ，换热系数相应增加 ，同时系统的散热面积与体积比也显著增加. 因此尽管体积不断减小，散热能力反而得到极大的提高.从图3中可看出 ，两种具有相同长度和高度的微通道集热器 ，当微管道宽度为 10 μm 时 ，CPU 温度为 65℃，而当宽度为100μm 时 ，CPU 温度则高达85 ℃，显然宽度越小对散热越有利 ，因此 ，尺寸因素对微通道散热器的影响是至关重要的 ，而这又直接影响了CPU 的运行性能.在微通道散热器领域 ，比较成熟的应属美国Cooligy 公司推出的产品.其生产的水冷式芯片 ，采用了主动微通道冷却技术 Active Micro-ChannelCooling ， AMCC .这项新技术中包含 3 个主要部分：微管道集热器 ，用于传送具备吸热功能的液体；散热器 ，用于将热量传导散发至空气中；一台电力动能泵 ，用于推动液体流过微管道集热器.相对于传统的水冷 ，AMCC 的技术核心在于两点：一是微通道集热器 ，一是无噪声电动力泵.微通道集热器相当于水冷头 ，通过高导热介质贴覆在核芯表面 ，甚至直接与 CPU 一体化制造.其与核芯接触部分的内表面通过DRIE或LIGA 工艺刻出无数平行 宽度约为 20～100μm 的微沟槽 ，再经键合封装形成封闭的循环通路 ，而液态工作介质则沿着这条通路往复流动.因为集热器的散热面积 比传统水冷头增加了数百倍 和热传导系数都很大 ，使得核心温度与液体介质的温度几乎持平. 因为 Cooligy的产品采用了电力动能泵和微通道散热器 ，因而拥有许多杰出的性能 ，诸如散热性能优越 据其官方网页的数据 ，散热通量甚至可达1000 W/cm2 ，体积小重量轻 ，无噪声 ，性能稳定 ，可靠性高 ，寿命长 ，与芯片的集成性好 ，成本低等. 然而 ，减小微通道的宽度不仅可以增加散热能力 ，同时也会引起压力降升高 ，增加微通道的压力负载及泵的功率.此外 ，微通道的堵塞问题、低雷诺数下微流体的流动问题都是极需深入探讨的.随着微通道散热器本身的技术进一步完善 ，这种产品将有更大的发展潜力和市场需求.

参考文献：

[1]基于半导体制冷的小空间控温除湿系统研究[J]. 杨秀荣，刘媛媛，孟凡良，裴立明. 现代科学仪器. 2017（03）

[2]半导体制冷微型除湿器与化学干燥剂的对比试验研究[J]. 韩耀明. 制冷. 2017（02）