芯片发展对先进冷却技术的需求

各类光电芯片的应用遍及日常生活、生产乃至国家安全等各个层面，在现代文明中扮演着极其重要的角色。半个多世纪以来，芯片工业在朝更高集成度、更低成本、更低能耗的核心目标努力方面取得了突飞猛进的发展［6］。随着集成度的提高，单颗芯片上晶体管的数目已经由最初的数千攀升至当前的十亿甚至向着更高集成度迈进（图1-1），相应的芯片功耗也越来越大（图1-2）。早在20世纪60年代，英特尔创始人之一戈登·摩尔就提出预言：“半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量每隔18个月将增加一倍。”这就是著名的“摩尔定律”［7］。然而，随之而生的“热障”问题日渐成为制约其进一步向更高性能、更高密度及更低功耗迈进的关键瓶颈。

图1-1　摩尔定律下单个芯片晶体管数量的发展情况［7］

图1-2　高性能微处理器芯片功率和热流密度发展预测［7］

（数据来自2004年国际电子制造计划技术路线图）

与此同时，空间技术的快速发展，对航天电子设备和元器件提出了大量的高热流密度散热需求，如CCD相机、激光高度计、光谱仪等［7］。同时，由于其使用环境的特殊性，需要在温度剧烈波动的环境下保持恒定的工作温度，且对散热器有体积和重量上的限制，这些都进一步加大了其散热难度。此外，还有很多电力电子器件或设备同样面临着高功率高热流发热问题［7］，如高功率LED、聚光太阳能电池、高功率激光芯片、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）电转换器、X射线球管、发动机等（图1-3）。可以毫不夸张地说，高性能冷却技术的发展是保障这些器件安全高效工作和向更高性能发展的基本前提。

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图1-3　高功率发热器件和设备［7］

芯片发热主要源于内部元件的焦耳热效应及晶体管泄漏电流热效应，集成度越高、泄漏功耗越大，则热现象越显著。过高的芯片温度将导致“电子迁移”现象，缩短其寿命，甚至导致内部电路直接烧毁。研究显示，电子元器件的工作寿命及可靠性随温度的升高而呈指数规律降低［4］。因此，卓越的散热技术对于尖端芯片的稳定运行具有至关重要的意义。

描述芯片热问题的两个关键参数为热设计功耗（thermal design power，TDP）和局部热流密度。热设计功耗表征单颗芯片正常工作达到最大负荷时释放的总热量，而局部热流密度描述芯片表面局部位置单位表面积产生的热功率，两者的关系可由式（1-1）描述。其中Q为热设计功耗，q为局部热流密度，A为芯片面积。热设计功耗越大，则散热器空气侧需要的换热面积越大，宏观上意味着散热器的体积更大（换热问题）；而局部热流密度过高或者分布不均，将带来局部热点问题（热展开问题）。这两方面成为高端芯片的两大散热瓶颈，给散热技术带来了严峻的挑战。

芯片技术发展对高性能散热方法的迫切要求与实际应用的广阔空间，使得对超高热流密度芯片、微系统的散热技术研究成为国际上异常重要而活跃的领域［2，8］。由美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）资助的大规模研究计划HERETIC（heat removal by thermointegrated circuits），旨在发展可与高密度高性能的电子或光学器件相集成的固态和流态的散热器件。该项目已历时30余年，有关课题分布在几十所知名大学和国家研究机构，经费资助总额高达数亿美元。此外，美国联邦政府的其他机构包括海军研究办公室、能源部以及NSF、NASA、NSA等也对这一类研究进行了大范围资助。与此同时，半导体工业界也为此投入了大量人力和财力。学术界、工业界对芯片冷却主题的广泛研究，使得相关的学术活动十分活跃，重要的国际会议包括ITHERM、SEMI-THERM和THERMINIC等。同时，人们在研究的基础上还建立了一批致力于芯片冷却应用技术的公司，如MMR、CoolChips、Cooligy等。国际上许多知名大学成立了相应的研究中心，以促进相应技术向应用转化。

由于芯片应用的广泛性，相应散热或冷却技术的市场需求十分巨大。仅以计算机CPU所需的散热组件如风扇及翅片等产品为例，其制造业的世界市场，据估计每年有50亿至100亿美元需求规模［8］。而随着功耗的不断增加，芯片冷却解决方案的价格也随之剧增；对应地，随着芯片应用在不同行业的快速渗透，芯片冷却技术的市场需求也随之高速增长，可以预期未来其容量将大幅超过现有水平。

当前，众多的芯片散热技术在解决热展开与高效换热这两大瓶颈问题方面不断取得突破。微流道、微喷、热电制冷等技术可以有效解决局部高热流问题［2］，但目前其成本及功耗仍然过高。离子风、压电风扇具有独特的空气对流特性，但其运行环境特殊、性价比过低等问题使其距工业应用仍然有相当大的距离［5］。总的来说，当前的芯片散热技术呈现一种百花齐放的态势，但能满足不断增长的芯片散热需求且安全稳定的高端散热技术仍然比较匮乏，市场及尖端应用对先进散热技术的需求将越来越迫切。

以上分析了芯片冷却的技术需求。实际上，先进散热的应用场合远非芯片所能概括，在大量的民用消费领域、工业应用领域以及国防军事领域，对高热流密度散热技术的需求同样旺盛。