芯片的发展及其温度控制新技术

刘 琦

(武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 430072)

当今世界，电子设备正朝着高性能、高集成的方向发展，电子设备的功能越来越强大，体积却变得越来越小，超高的热流密度已经成为电子设备进一步发展的阻碍。因此，如何及时地将元件功耗产生的热量有效地排出，以保持芯片一定的工作温度已经成为当前微电子技术进一步发展的关键环节。

1 芯片的发展

1971年诞生的第一块微处理器4004只有2300个晶体管，采用Intel的10微米PMOS技术生产;1989年Intel公司推出的80486芯片集成了120万个晶体管，首次突破了100万大关;1993年，Intel推出的奔腾处理器采用Intel微米工艺，含有300万个晶体管;2002年推出的奔腾4处理器采用Intel的0.13微米工艺，含有5500万个晶体管;2005年Intel推出的第一个双核处理器已经开始采用90纳米工艺，含有2.3亿个晶体管;2006年Intel的酷睿2双核处理器采用65纳米工艺，含有2.9亿多个晶体管;2010年11月，NVIDIA推出的GF110核心，具有30亿个晶体管，采用先进的40纳米工艺制造;2011年Intel推出的3-D晶体管更是给芯片注入了新的活力，其12年推出的Ivy Bridge就采用了3-D晶体管技术，大幅度提高了芯片集成度和整体性能。

从芯片制造工艺的角度，线宽从微米级别发展到纳米级别，从05年到13年经历了65纳米、45纳米、32纳米、22纳米、14纳米工艺，Intel将在15年推出10纳米工艺，在17年推出7纳米工艺。芯片的频率也越来越高，功耗越来越大，目前市场上芯片的功率可高达150w，封装在很小的空间内，对如此高的热流密度电子芯片进行有效的温度控制是至关重要的。

2 温度控制新技术

2.1 相变温控技术

相变温控技术就是利用相变材料(Phase Change Material，PCM)的相变过程的吸热和放热作用对发热芯片的温度进行有效控制。由于PCM的导热能力普遍较差，在实际应用中需要将PCM封装在导热增强体里面，或则在PCM中加入具有高导热能力的材料以优化PCM的导热性能。同时，PCM也要具有较大的比热容，与封装材料要具有较好的兼容性，并且PCM发生相变时的体积膨胀系数应较小，同时应该具有安全无毒、价格低廉、原材料储备丰富的特点。由于计算机和微电子产品通常不会总是保持在满负荷运行，当电子产品的功耗瞬时上升时(如：运行某个大型软件)，芯片功耗会迅速增加，其温度会迅速上升。如果采用相变温控技术，当芯片的温度变化到PCM发生相变的温度时，PCM就会发生相变，热量将存储在PCM中，同时通过导热增强体将热量散发出去，此时的温度将不会继续上升，芯片的温度得到有效控制。当电子产品的功耗下降时，随着存储在PCM中的热量的散失，PCM将发生逆向相变。通过这种反复变化的方式，可以延缓和控制芯片的温升，防止芯片受到热冲击，提高电子产品的运行性能和工作可靠性，延长芯片的使用寿命。文献【2】采用水凝胶进行了仿生发汗冷却实验，由于整个设备无运动部件且散热效果良好，如果开发成功将取得巨大经济效益。

2.2 射流冲击强化换热技术

射流冲击作用在物体表面时，驻点区域流体的边界层由于射流作用会变得很薄，可以在换热表面的局部产生强烈的换热效果，具有极高的传热效率，在工业生产中已经得到了广泛应用。日本富士通公司的VP2000超级计算机就是使用单相液体射流冲击进行温度控制。就目前来看，在台式机和笔记本电脑中采用液体射流冲击强化换热的技术还不成熟。为了保证芯片的安全工作，多采用射流与冷板相结合的方式。

2.3 液态金属散热技术

液态金属散热技术是由我国学者刘静于2002年提出的，它是以低熔点的金属作为冷却流体进行散热。目前比较理想的金属材料是镓或者合金镓铟等，金属的导热率远高于水和空气，在加上此类金属在常温下就呈液态，如果技术研究成熟，可以有效解决芯片散热问题。此项技术具有散热能力强、适用广、装置无运动部件等优势。

2.4 热管技术

作为20世纪60年代发展起来的具有特别高的导热性能的传热元件，热管在航空航天领域中得到应用。热管的工作原理是利用工作液的相变来进行热量的传递。热管工作时不需要动力源，没有运动部件，无噪声，传热能力极强，能在很小的温差下传导热量，可以根据电子元件的外形设计出合适的形状。随着微电子技术的迅猛发展，工程师们开始寻找利用热管技术给芯片散热，由于热管本生只起传热作用，热量的耗散需要与其他散热方式结合。目前，平板热管和风扇相结合的散热已经是笔记本电脑主要的散热技术。

2.5 静电冷却技术

静电冷却技术的工作原理是利用静电高压使离子束从负极高速流向正极发热体，形成的“离子风”可以破坏发热体表面的空气层流边界层，迫使空气的流动转变为紊流，同时层流边界层的破坏也导致了发热体与对流物质之间温度梯度的增大，从而达到提高对流换热的效果。静电冷却技术的冷却速度快、无需动力源、无噪声，耗电少，但因有高压所以存在不安全因素。目前，国内几乎没有文献研究此项技术，2007年美国普渡大学的研究员开发出“离子风电机”，正是利用此项原理将传热系数提升2.5倍。这种“离子风电机”装置的尺寸为毫米级，极具实用价值。

3 总结

随着芯片工艺进入纳米级时代，高热流密度已经成为微电子发展的一个瓶颈，如何对高集成度芯片进行温度控制的问题变得越来越紧迫。传热学已经形成了以解决微米-纳米尺度范围的传热与流动问题的微米-纳米研究方向，各国专家和学者研制开发出了新的温度控制方法，除上述几种技术外，还有热电冷却技术、微通道冷却技术等。这些技术不断走向成熟，为微电子的发展奠定了基础。

[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社.2006.

[2]胡元辰，张新生，等.利用温度敏感型水凝胶进行仿生发汗冷却[J].化工学报.2012，63(7).

[3]刘静，周一欣.芯片强化散热研究新领域-低熔点液体金属散热技术的提出与发展[J].电子机械工程.2006，22(6).