信息來源：電子機械工程
摘要：隨著電子設備發熱功率密度的不斷增加，傳統的風冷已經無法滿足高熱流密度電子設備的散熱。液冷技術是通過液冷介質與熱源接觸進行熱交換，再由冷卻液體將熱量傳遞出去，具有高換熱系數、良好的流動性及穩定的工作能力，因而成為現代電子設備冷卻系統的首選。為了進一步適應新型電子設備的高性能、高可靠、低成本的發展趨勢，液體冷卻方式需要在理論分析和優化結構上做進一步的研究。文中首先綜述了幾種常用的液冷技術的原理、特點、研究動態和工程應用，并提出了液冷技術發展的趨勢。
關鍵詞：電子設備;散熱;液冷
隨著電子元器件技術和微組裝能力的迅速發展，電子設備發展呈現出高集成化、小型化和高頻化的趨勢，隨之而來的是電子設備熱流密度的增加，這對設備的穩定性和使用壽命提出了很大的挑戰。研究結果表明，單個半導體元件的溫度每升高 10 ℃，系統的可靠性將降低 50%。因此有效的散熱冷卻方式和良好的冷卻效果是確保電子設備高可靠、長期運行的基礎，并隨著電子設備的發展顯得愈加迫切和重要。近年來，隨著電子設備冷卻技術在工程應用和理論研究上的不斷深入，冷卻方式也呈現出多樣化，從傳統的直接自然冷卻、風冷和液冷技術，發展到熱電制冷、半導體制冷、液態金屬冷卻、離子風冷等新型冷卻技術。最常用的自然冷卻和風冷技術的散熱能力已經達到極限，隨著電子設備元器件發熱功率的提高，自然冷卻和風冷技術已不能滿足其散熱要求。新型冷卻技術雖然在理論上展現出很好的冷卻效果，但是由于這些冷卻技術大多處于研究開發階段，其實際的冷卻效果及穩定性還有待進一步深入考察。液冷技術是通過液冷介質與熱源接觸進行熱交換，再由冷卻液體將熱量傳遞出去。液體具有高換熱系數、良好的流動性及穩定的工作能力，這使得液冷技術成為電子設備冷卻系統的首選。本文主要論述幾種常用的液冷技術的研究動態和熱設計工程應用實例。液冷技術分為直接冷卻和間接冷卻。直接冷卻可以采用直接將電子設備浸入冷卻介質或者電子器件的發熱部分與冷卻介質接觸(如液體噴射冷卻、液體噴霧冷卻)來散熱，受熱升溫的液體介質流動到其他低溫部位再將熱量散出去。間接冷卻指熱源不直接與冷卻介質接觸，而是通過冷板裝置間接進行熱交換，如循環管路散熱冷卻、微通道液體冷卻和熱管冷卻。液體噴射冷卻使用噴射器在需要散熱的電子器件表面噴灑冷卻流體，在器件表面形成的一層溫度邊界層有強換熱發生從而帶走熱量，其結構如圖 1 所示。通常使用沸點較低的液體(液氮、氟利昂)，具有較高的傳熱速率，并且液體噴射速度很快，因而對電子元器件的冷卻效果非常理想，可以滿足電子元器件持續增加的發熱功率對散熱的要求，但是噴流冷卻在熱源表面的不均勻冷卻性也限制了其廣泛應用。
圖1 液體噴射冷卻示意圖
液體噴霧冷卻是利用噴嘴噴出的許多微小液滴形成的群體法向猛烈撞擊熱源表面，從而在表面形成一層冷卻液薄膜，隨著液膜的流動或冷卻液遇熱蒸發帶走熱量，如圖2所示。霧化噴射冷卻換熱效率高，且冷卻均勻，適用于一些對溫度要求很嚴格的領域。尤其是液體噴霧冷卻在對尺寸、重量和性能有嚴格要求的機載電子設備上具有很強的適用性，適合其液冷系統模塊化設計，成為未來機載電子設備冷卻技術的主要研究方向。如美國 EA-6B 和全球鷹目前已采用了該冷卻技術。國內關于液體噴霧冷卻技術也開展了一些試驗性研究，但實際的工程應用還未見報道。
圖2 液體噴霧冷卻示意圖
常用的循環管路散熱冷卻系統水冷系統主要由 4個部分組成:冷板、液壓泵、儲液箱和散熱器，其結構如圖 3 所示。儲液箱中的冷卻液在泵的作用下通過循環管路流動至與熱源直接接觸的冷板，吸收并帶走熱源熱量的液體進入散熱器，在降低溫度后重新進入儲液箱，最終再進入泵，從而形成一個完整的循環。循環管路散熱冷卻散熱效率高，散熱器件易加工，成本也較低，并得到了廣泛的應用。目前，相關研究主要是通過優化流道結構，結合計算仿真與試驗測試手段來降低冷卻液流阻，提高散熱效率，減小系統尺寸和質量。在進行某機載 S 形深孔冷板優化設計時，采用冷板雙進、雙回和雙出的流道結構形式來降低流阻，提高散熱效率，試驗結果表明冷板流阻下降了 1/3，最大溫差下降了 4.5 ℃。由于彈載平臺封閉空間狹小，針對彈載雷達高熱流密度組件的散熱問題，設計出結構緊湊、工作可靠的均溫板強迫液冷散熱系統，組件芯片的熱量通過均溫板傳遞至液冷冷板并進行強迫液冷散熱，達到了空空導彈的工作要求和測試要求。
圖3 循環管路散熱冷卻結構
微通道液體冷卻技術是在硅基板或金屬基板上采用光刻、化學刻蝕、電火花加工、離子束加工以及鉆石切削等技術制造出微尺度通道，再經鍵合封裝形成封閉的循環冷卻通道，液體工質在通道內流過時通過蒸發或者相變直接將熱量帶走。典型的微通道液體冷卻結構如圖 4 所示。
圖4 微通道液體冷卻結構示意圖
微通道內的冷卻介質被加熱會迅速轉變為處于高度不穩定狀態的核態沸騰，具有很大的對流換熱系數，并且通道內換熱面積隨著其數目的增加而提高數十倍，另外微通道內流體分子滑移現象的存在減少了冷板上的流體阻力。因此，相比于傳統液冷散熱，采用微通道進行冷卻能夠大幅提高散熱能力，使之成為目前液冷領域的一個研究熱點。針對傳統冷卻技術散熱很難突破 100 W/cm2 的局限，提出了基于 V 型槽的微通道冷板結構設計，并根據有限元分析結果進一步優化分歧管的結構位置，使得其散熱能力高達 500 W/cm2。文獻報道了微小通道液冷冷板散熱在全數字陣列模塊冷卻過程的應用。該冷卻系統采用冷板流道內嵌微小型肋片群形成微小通道的液冷流道結構，通過這種結構優化設計使得微小通道冷板散熱能力達到常規蛇形通道冷板的 4 倍以上，并成功應用于某型數字陣列模塊冷卻。目前微通道傳熱仍然面臨微通道截面積很小、流動阻力大等問題，需要進一步優化。熱管冷卻是利用工質的相變來強化換熱，實現高效散熱的目的。圖 5 為典型的環路熱管結構示意圖。熱管冷卻系統一般由密閉容器、毛細結構、冷卻介質構成，其熱量傳遞過程可以分為蒸發段、絕熱段和冷凝段3 部分。工作原理為處于飽和狀態的冷卻介質儲存于儲液器中，儲液器與電子設備接觸，冷卻介質吸收電子設備的熱量蒸發汽化后在微小的壓差下流向溫度較低的冷凝段，釋放熱量之后又凝結成液體，該液體在毛細力作用下重新回流到儲液器內，形成循環。電子設備產生的熱量在冷卻介質的一次蒸發和冷凝后傳遞給了外界環境，完成了電子設備的散熱。熱管是一種傳熱效率極高的傳熱器件，它的熱導率比良好的金屬導體大 103～106 倍，有近超導熱體之稱。與傳統散熱設備相比，熱管冷卻熱流方向具有高可變性、熱響應性和等溫性，可以實現遠距離轉移熱量，并且其系統空間尺寸小、重量輕、構造簡單。在應用熱管傳熱時，主要問題是如何進一步減小熱管兩端接觸界面的熱阻，并且其技術要求和價格都較高，目前主要應用于高端計算機及航天航空領域?圖5 環路熱管結構示意圖
結構優化設計可以大幅提高現有冷卻技術的散熱效果，也是液冷技術發展的重點。針對電子設備中多核微處理器架構需要更高的冷卻劑流量以及數據中心熱量消除所需能耗加劇的問題，從結構優化設計著手，在微通道液體冷卻技術的基礎上提出了一個新穎的概念即以熱點為目標的嵌入式冷卻結構(HT-ELC)，如圖 6 所示。
圖6 HT-ELC 結構示意圖
和傳統的嵌入式微通道液冷技術相比，HT-ELC從微觀結構上合理地分布熱點冷卻通道，使得“粗化”的背景冷卻通道和節流區可以協同調節不同區域的芯片的液體冷卻劑流量。基于這個概念進行設計，通過詳細實驗測量獲得對比結果，結果表明在 150 W/cm2 平均穩態熱流核心區域(熱點) 和 20 W/cm2 背景區域，常規微通道液體冷卻只能降低 4℃，而 HT-ELC 將芯片的溫度降低了 10℃，表現出高效的冷卻效率。目前，在熱流密度非常高的三維集成電路冷卻系統中采用微流體通道可以有效降低芯片溫度，但是也存在泵送液體導致的高壓下降引起芯片結構不穩定。為此，文獻提出了在直通硅晶穿孔技術的基礎上，通過跨冷卻層垂直互聯與芯片上的無線互聯協同設計達到高效的散熱效果及大幅降低泵送液體壓力，實現持續高效穩定地工作。使用導熱系數更高的納米流體、液體金屬替代傳統的冷卻介質可以提高冷卻能力。納米顆粒與表面活性劑、可溶性添加劑不同，這些 1～100 nm 尺度范圍的金屬或非金屬顆粒可以形成穩定懸浮工作流體，與傳統液體相比，具有無與倫比的優勢，如更高的導熱系數、較大的比表面積、腐蝕輕等優點，在性能上完全可以替代目前常規的冷卻介質。Choi 和 Das 的研究表明要使傳熱效率提高2倍，液冷中使用的泵的功率需要增加10 倍，而使用納米流體作為冷卻介質，在保持原有泵功率的情況下可以將傳熱效率提高近 3 倍。目前，許多研究人員正在研究多樣化的納米流體及其應用，但噴霧冷卻系統中適用的納米流體的研究才剛剛起步，這也是未來研究和開發的重點。
依據設備的不同散熱需求采用混合冷卻的設計方案，達到最佳的冷卻方式組合，最大限度地發揮液冷系統的散熱性能。文獻開展了芯片的混合冷卻效果評估，在其混合冷卻系統中將液體冷卻系統和蒸汽壓縮式制冷系統的優點相結合，采用 Al3O2 /H2O 納米流體作為液冷冷卻介質，碳氫化合物作為制冷系統制冷介質，并測試了不同環境下的散熱效果，實驗結果表明相比于單一的液冷系統和蒸汽壓縮式制冷系統，混合冷卻系統的散熱功率可以提高 90 W 和 280 W。該混合冷卻方式不僅適合芯片冷卻，也可以應用于其他高熱流密度電子設備的冷卻。除了冷卻方式混合能夠取得最佳的冷卻效果，針對不同的冷卻介質，通過合理的配比將不同屬性的冷卻介質混合也能最大限度地發揮冷卻協同的作用。液態金屬相比于水具有更高的冷卻效率，但過高的價格限制了其廣泛使用，基于此，文獻研究了液態金屬和水混合的冷卻效果，實驗結果證實了其高效的散熱效果及合理的成本能夠滿足目前多數的高熱流密度設備散熱需求。隨著電子設備發熱功率密度的不斷增加，傳統的風冷散熱方式已不能滿足其散熱需求，換熱效率更高的液體冷卻方式將成為主流。本文概述了幾種現代電子器件冷卻方法的基本原理和研究現狀。為了適應新型電子設備高性能、高可靠、低成本發展的趨勢，液體冷卻方式需要在優化結構和理論分析上做進一步的研究。未來，液體冷卻的研究重點主要包括:1)通過優化流道結構來提高散熱效率;2)使用導熱系數更高的納米流體、液體金屬替代傳統的冷卻介質;3)依據設備的不同散熱需求采用混合冷卻的設計方案，達到最佳的冷卻方式組合，最大限度地發揮液冷系統的散熱性能。
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