低维微纳尺度体系声子热传导和热调控:来自芯片散热的非平衡统计物理问题

半导体芯片发展路线图上的一个障碍是“热死(heat death)”,也就是大量热量的产生而导致芯片被烧毁.所以散热问题成为进一步发展半导体工业亟待解决的关键问题.芯片里的热传导包含一维和二维材料中声子热传导以及声子通过不同材料间的界面热传导.本文总结了过去30年来一维、二维和界面声子热传导的主要理论和实验进展,重点介绍了一维体系声子热传导发散的物理机制以及反常热传导和反常扩散之间的关系.本文还简要讨论了与此相关的非平衡态统计物理的基本问题:从给定的哈密顿量出发是否能够推导出宏观输运行为.本文从微观图像的角度讨论了调控声子热传导的几种方法:纳米声子晶体,纳米热超材料,界面和声子凝聚等.为了让读者全面了解声子热传导,还简要地介绍了其他声子热输运现象,包括热导量子化、声子热霍尔效应、手性声子,以及声子与其他载流子之间的相互作用.最后,本文讨论了声子热传导研究面临的挑战和机遇,包括声子在量子信息和技术中的潜在应用.

带有强化换热结构的芯片散热器实验研究与数值模拟

超级或大型计算机服务器CPU的冷却散热问题,已经成为计算机高性能发展的瓶颈,受到业内越来越广泛的关注。本文提出了一种用于冷却计算机服务器芯片的散热器,其结构是将镶嵌在散热器底板的热管与翅片组装为一体。利用自建实验台对该散热器以及平板式热管散热器的性能进行了对比实验分析,同时对其热管本体、翅片以及均温板的温度分布进行了数值模拟。这种热管冷凝段得到强化换热的散热器其底板面积相对平板式热管散热器减小了50%,因此具有更好的均温性;在相同的工况下热流密度由24.3 W/cm2增至68.6 W/cm2时,该散热器翅片顶部的平均温度增幅仅为17%。

热驱动液态金属芯片散热器的功率特性

为解决高集成度计算机芯片、光电器件等引发的热障问题并降低能耗,本文基于前期研究基础,试验探索不同加热功率下基于芯片自身发热量米驱动液态金属循环,从而达到冷却芯片的方案。分析表明,该方法能有效降低芯片表面与环境之间的热阻。试验显示,热量通过热电片转化的电能,驱动液态金属电磁泵,并且在未设置风扇的情况下实现了50 W的散热量;而且,加热功率越高,热电片产生电流越大,从而驱动力越强。这种热驱动型液态金属芯片散热器是一种完全静音、自适应、无需外部能量输入的先进芯片散热器。

芯片散热的热传导计算

讨论了表征热传导过程的各个物理量,并且通过实例。

电磁泵驱动液态金属的芯片散热研究

随着芯片的集成度越来越高,散热问题已成为制约其发展的主要瓶颈之一。液态金属芯片散热技术的引入为此打开了新的局面。相比于传统以水为冷却介质的液冷技术,液态金属冷却具有更优异的散热性能。此外,由于其导电性,液态金属还可以采用完全无运动部件的电磁泵进行驱动。而利用电容对电磁泵进行供电,可以非常便捷的实现大电流,从而显著提升电磁泵的驱动能力,并有望实现液态金属的射流。那么,电磁泵是如何驱动液态金属的?液态金属散热技术的优势何在?本文将通过介绍芯片散热的发展历史、液态金属的优异性能,使人们更好地认识液态金属,以及它在散热领域的应用。

石墨散热膜——芯片散热的标配产品

苏州墨纳公司通过第82届电子展会推出了石墨散热膜。石墨散热膜是一种高性能复合石墨薄膜材料，具有质轻，使用方便，散热迅速等特点。覆盖芯片屏蔽罩散热的石墨散热膜，应用于热量管理及电磁屏蔽等电子工业，如笔记本、超级本、智能手机。

芯片散热器的稳态热分析

芯片散热器为芯片提供正常工作温度,其性能直接影响芯片的工作效率及寿命。本文依据以某已知结构的芯片散热器,利用Workbench软件对散热器进行结构模拟、热接触设置、内部生成热以及热对流的施加,快速、准确得出相应种类散热器的稳态热分析,进而得出其散热性能,并加以比较。为设计研发及避免实际散热器受损提供重要依据。

Q＆A——主板芯片散热不良，频繁死机

一台Pentium42.4GHz/256MB DDR/GeForce4 MX440主机频繁死机，以为感染病毒，经查杀后未发现任何病毒。又认为是硬盘碎片过多，导致系统不稳定。但整理硬盘碎片，甚至格式化C盘重做系统，但一段时间后又反复死机。

电磁泵驱动液态金属的芯片散热研究

与传统冷却液相比,液态金属运动粘度更低、导热系数更低,在冷却液中引进液体金属,可以充分提升散热系统的散热能力,减小压力损失。电磁泵驱动液态金属的芯片散热效果对电磁泵驱动变化会产生直接的影响。结合散热冷却技术,对电磁泵驱动液态金属芯片的散热过程进行控制,可提高散热控制效果。介绍常见的散热冷却技术,阐述了电磁泵驱动液态金属的芯片散热的原理。在此基础上,分析了电磁泵驱动液态金属芯片散热过程,并通过散热冷却技术,对电磁泵驱动液态金属芯片散热进行调控。与此同时,利用仿真分析的方式,分析电磁泵驱动液态金属芯片的散热变化,仿真分析说明,电磁泵未开启情况下,温度最大值为88.7℃,温差为35.7℃。电磁泵启动后,盖板温度减小到78.9℃。发热片的表面温度从99.3℃减小至86.9℃,减小12.5%。散热冷却系统在实际应用中,可达到性能稳定、能耗低、无噪音以及驱动效率高等作用,可应用于电磁泵驱动液态金属芯片的散热控制中,具有推广与应用价值。

新世纪芯片散热法

内嵌散热片芯片——一种新的芯片散热方式,在众多厂商投入了大量的研发时间和经费之后终于诞生。本期“特别报道”,以对比以往散热方法的方式,剖析了内嵌散热片的奥秘。

看透芯片散热路径热阻的透视“眼镜”

芯片是电子系统工作的“大脑”,也是当今高新技术的重要基本单元。芯片与人们的生活息息相关,大到航空航天领域的火箭、飞机,小到生活中的智能手机、平板电脑,芯片都直接或间接地为人们的生活带来便利。然而,芯片的热阻却是一个令人头疼的问题,其工作时会因为温度升高导致可靠性下降,严重时还可能引起设备故障,甚至导致整个航天卫星、电网系统瘫痪。一般来说,温度每升高10℃,器件的寿命就会缩短为原来的一半。因此,获取电子系统关键元器件工况下的结温及热阻,并有针对性地进行散热,是提高电子系统寿命和可靠性的关键。

基于内嵌式微通道芯片散热结构设计研究综述

电子芯片/系统的尺寸微型化、功能复合化导致了其功率密度的增大,伴随着发热也越来越严重,如何应对电子芯片/系统逐渐增加的热流密度,成为散热设计中面临的巨大挑战,也是当前研究的热点。本文详细论述了传统散热技术的优缺点,对国内外正在开展的内嵌式微通道散热结构进行了系统分析,并着重对基于内嵌式微通道芯片散热技术原理、散热性能和创新性解决方案进行了归纳总结。在分析当前国内外解决方案的基础上,总结了基于内嵌式微通道的芯片散热设计经验和结论,以及面临的挑战,基于此给出了芯片散热设计研究现状和发展方向。

芯片用液态金属散热器的数值模拟

计算机芯片功率的大幅度增加对芯片散热的要求越来越高,液态金属高导热性及流动性等使其成为极具潜力的冷却工质.为了研究圆管内液态金属散热器的散热特性,针对液态金属Ga_(68)In_(20)Sn_(12)和水,分别在不同圆管模型、流道内的换热进行数值模拟,比较分析了模型流道长度、雷诺数、管径对换热系数的影响.实验结果表明,Ga^(68)In_(20)Sn_(12)散热冷却系统设置过长的流道长度不能达到最理想的换热效果,增大管径起到的换热效率显著提升,明显优于管长影响;在U,S和M型圆管中,S型管道是解决热点问题的最优方案.

含石蜡@二氧化硅纳米胶囊和碳纤维的相变热界面材料及其散热性能

含有相变材料的热界面材料(即相变热界面材料)可借助相变材料的吸热来直接缓解高热通量对芯片造成的冲击。将相变胶囊与导热填料复配引入聚合物基料有望获得可靠性好的相变热界面材料。将石蜡@二氧化硅纳米胶囊与碳纤维复配,制备了一系列含不同质量分数碳纤维和纳米相变胶囊的聚二甲基硅氧烷基相变热界面材料样品,测定了它们的相变特性、热导率和硬度,并将它们分别用于模拟芯片散热来评价其应用性能。结果表明,碳纤维含量的增大致使相变热界面材料样品的热导率和硬度上升,而纳米相变胶囊含量的上升带来相变热界面材料的熔化焓上升及硬度下降,从而都对相变热界面材料的散热性能产生影响。石蜡@二氧化硅纳米胶囊和碳纤维的协同作用致使在所有制备的样品中纳米胶囊含量34%(质量)和碳纤维含量9%(质量)的相变热界面材料取得了最佳散热性能。此外,该相变热界面材料还具有优异的热可靠性,因而具备应用前景。

基于电热模拟法的芯片热管散热器传热研究与仿真

运用电热模拟法对一种热管式芯片散热器的各项传热热阻进行分析,建立了该热管散热器在强制风冷条件下的电网络传热模型,导出了总传热能力的理论计算公式;运用CFD软件ICE-PAK对某一设计计算实例进行仿真,模拟结果与理论值基本吻合,验证了所建电网络模型的基本合理性。

日本将碳纳米管用于半导体芯片散热

日本富士通公司和富士通研究所共同开发出使用碳纳米管的半导体芯片散热板，这在世界尚属首例。高频高输出功率增幅器的散热板由于使用了碳纳米管，使增幅率和散热性能均得到提高。这次开发的技术使碳纳米管可与高功率晶体管的微细电极连接。将比金属导热性高得多的碳纳米管凸起与发热源附近的微细电极连接，使倒装片既具有高的增幅率又具有同正装结构相同的散热性。与以前的正装结构相比，其电感可降低至一半以下，在5kMHz以上高频下的增幅率提高到2分贝以上。今后随着凸起中的碳纳米管的密度提高，散热性能还能进一步提高。该研究所计划对使用碳纳米管凸起进行散热的高频高输出功率增幅器进行实用化开发，使其3年后可用于第3代以后的便携电话基地。

芯片散热器稳态热分析与瞬态热分析

在正常工作条件下,散热器为芯片保证温度以使芯片的性能达到最优.本文基于某已知结构的芯片散热器,采用Solid Work软件对芯片散热器建模,并对散热器各个部件添加材料,以便使用Workbench软件对散热器进行结构模拟、热接触设置、内部生成热以及热对流的施加,快速准确得出散热器的稳态热分析和瞬态热分析以及散热性能.本文的分析为以后的设计和开发提供重要依据,并避免损坏实际的散热器.

微槽群散热器换热性能实验研究

对微槽群相变散热器的散热性能进行了实验研究,实验采用了混合工质2-Methylpentane和甲醇来强化系统的换热性能,当混合工质中x_1(2-Methylpentane)的摩尔分数为10%,x_2(甲醇)的摩尔分数为90%时,微槽群散热器的换热性能最优;将该种配比的混合工质分别应用于不同尺寸的微槽群相变散热器中,得出了优化的微槽群深宽尺寸比.实验结果表明,在同一散热热流密度下,与前人的工作相比,能使芯片表面温度降低10～20℃.其散热性能满足大功率高性能电子芯片的散热需求.

数据中心服务器CPU水冷散热器的优化设计

如何强化水冷散热器的散热性能以维持计算机芯片的正常工作温度,成为数据中心服务器冷却问题研究的焦点。本文以水冷散热装置的综合系数F和芯片温度为目标参数,采用正交试验法对散热器的基板厚度、槽道(位于基板)位置、槽道数量和槽道宽度进行了优化设计,针对不同的需求得到最佳的组合为F指数和T指数散热器。结果表明:当冷却水体积流量为0.4 L/min,进口温度为20℃时,T指数和F指数散热器的散热极限热流密度分别为78 W/cm^2,65 W/cm^2。并从散热器底板的温度分布和总热阻两个方面分析其散热性能,T指数散热器的底板温度梯度和总热阻均低于F指数散热器,表明T指数散热器优于F指数散热器;但是在不同的体积流量下,F指数散热器的压降要低于T指数散热器。芯片在热流密度为65 W/cm^2以下时,F指数散热器槽道内流体的流动效果较好而且可满足数据中心服务器的散热要求,而更高的热流密度应选用T指数散热器进行冷却。