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吕锡民:电子冷却新技术——奈米流体微系统

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【大纪元2019年04月01日讯】持续小型化和电子高端性能需求,导致电器产生热通量急剧增加。面对不断增加的冷却需求和高发热电子设备等挑战,传统冷媒和冷却方法越来越无法解决。奈米流体具有优异的热性能和众多优点,在符合高发热电子器件冷却条件下,显现巨大潜力。据信,这种新型冷却剂在诸如微通道和微热管等创新技术中,可彻底改变未来电子设备的冷却技术。

2006年,制造晶片每平方釐米已包含多达1亿个电晶体,目前超级强大的10核心Xeon处理器(Haswell-EP)内含55亿个电晶体,而20世纪90年代的32位处理器仅有310万个。目前半导体和微电子技术仍然遵循经典摩尔定律,朝缩小特征尺寸、增加电晶体密度、更快电路速度及更高晶片性能等方向发展。

现代电子设计趋势以越做越小为导向,然而,此种趋势导致功率密度和高工作温度显着提高,以及电子器件低性能及低寿命等缺点,因为元件(如电晶体)整合度增加,晶片或器件上的功率耗散变得非常不均匀,使得晶片峰值热通量往往高出周围若干倍。事实上,随着工作温度升高,电子设备故障率几乎呈指数上涨。如果移除热量速率没有等于或大于产生速率,则组件及设备温度会持续上升,除了大幅降低可靠度和性能之外,还可能造成设备故障。

根据美国国防部电子设备可靠性预测报告,电子器具的失效因素,例如在75°C以上任何温度的相对故障率,将随着器件温度升高,而呈现指数增长。Pedram和Nazarian(2006)报告中也提到,超过50%的积体电路(IC)故障与热问题有关。依据IC设计经验法则,界面温度每下降10°C,故障率将减少一半,并且器件操作温度越低,性能越可靠。2007年一项研究报导,许多微电子和电力电子业所面临共同问题,在于如何将温度保持低于85°C,同时也消除高热通量(约300 W/cm2)。

由于传统媒介(例如空气、油及水等)热传能力的限制,大多数冷却技术不能达到所需的散热性能,肇因于传统冷却学理热传性能不够充分,特别是固体热传导和流体热对流。例如,为了在50K温差范围内达到100 W/cm2热通量,20,000 W/m2K有效热传系数(包括可能的面积扩大系数)势必具备,这不是普通冷却剂的自然及强制对流所能做到。

目前迫切需要的是,找到具有优异传热能力的冷却流体。根据研究显示,最近出现一种很少用于电子设备中的高级冷却剂液体—奈米流体(Nanofluid)可能担当重任。此类新兴热传流体是在传统基液(Base Liquid)中,如水(W)、乙二醇(EG)及油等,添加奈米尺寸悬浮颗粒(通常<100 nm)。结果发现,与传统基础流体相比,奈米流体具有相当高的热性能,特别是导热性、对流性及沸腾等热传特性。

除了具有理想高热性能外,这些新型流体还可在包括电子设备在内的广泛领域中提供有利优势及应用。奈米流体被认为是能够满足高科技电子设备和电器的冷却需求和挑战。最近发现另一种以离子液体(Ionanofluids, ILs)为基础的新型奈米流体,研究结果发现,与原先基础离子液体相比,此类奈米流体表现出更为优秀的热性能。结合优势和卓越利基,因应冷却电子设备中先进热传流体需求,离子液体能够提供高密度散热巨大潜力。

台湾是全球电子工业重镇,相关资讯产品包括手机、电脑、服务器等,依据经济部统计处107年7月公布资料,资讯电子产值占台湾总体工业产值28.7%,因此有关电子零组件的冷却研发受到重视,尤其是奈米流体冷却技术,例如工研院光电所的奈米电子实验室、能环所的热管电子冷却及材料所的奈米材料开发,另外,在科技部108年度预算546亿元中,创新基础研究有247.79亿元,占比高达45.4%,奈米流体的电子冷却应用已列为重点研发项目。

奈米流体是一种新型热传流体,奈米颗粒参杂在传统冷却剂中形成悬浮液,因为具有优异的热性能,奈米流体的适当使用可满足现代和小型电子设备等冷却需求,这种新型流体还可以在各种工业、电子及能源领域,提供巨大优势和应用潜力,在具有高导热性之下,如导热性、对流性及沸腾性等传热系数,实验结果证明奈米流体确实比传统冷却剂传热性能为佳。作为如晶片等高能量电子元件的新型冷却剂,奈米流体与其基液相比,表现出明显更高热特性,因此奈米流体普遍认为是能够满足高科技电子设备和系统等高度冷却需求的潜力冷却剂。

依据电子冷却的有效性、材料或技术分类,新兴冷却系统可分为下列几种:1. 热管;2. 热泵;3. 微通道;4. 喷雾冷却;5. 相变材料冷却;6. 自然冷却;7. 热电冷却。这些冷却系统可分为被动和主动两类。被动冷却系统利用毛细作用、重力或浮力,使冷却流体循环;主动系统利用泵或压缩机驱动流体,获取更高冷却能力和性能改善。

如前所述,传统冷却方法(通常由外部空气冷却散热器组成)不能充分冷却具有高功率密度的现代电子设备和晶片,当前系统需要创新措施与技术,从而提高散热率,最大限度降低工作温度,并延长使用寿命。目前许多新兴冷却技术,如热虹吸管,热管,自然冷却,电渗泵,微通道和微泵,喷流,热电冷却器和相变材料(PCM)冷却等,显然具有冷却这些高科技电子产品的巨大潜力。因此,近年来,这些新兴技术受到研究人员和电子工业的高度关注。

由于非常紧凑、重量轻及优异的冷却性能,对微通道冷却系统(如散热器)在电子冷却中应用,学界已进行广泛研究。因为对流传热与通道水力直径成反比,因此在任何流动状态下使用微通道可以实现非常高的传热性能。然而,微通道冷却性能的主要限制来自传统冷却流体的低热传能力。在这方面,奈米流体具有相当传热能力,可显着提高微通道冷却系统的除热性能。事实上,这些新兴技术很少使用在商用电子设备上面。尤其是,诸如微通道系统与微热管之类的新兴冷却技术与这些新型冷却剂一起使用时,可以显着提高它们的散热性能,同时满足产生高热量电子设备的冷却需求。

尽管在过去几十年已有显着进展,但电子和半导体产业仍面临着一些严峻技术挑战,尤其是高性能电子产品和设备的热管理。这主要与传统冷却方法和冷却剂有关,在满足高发热电子器件和微处理器不断增加的冷却需求方面,传统冷却方法和冷却剂显然不足。然而,大多数电子设备和器具仍然采用这些传统冷却技术。因此,高性能电子产品(如晶片等)需要高热传性能的创新机构、技术和冷却剂,来充分去除产生热量,以获得预期的性能和耐久性。研究显示,热管和微通道冷却系统的强制对流是最有前途的电子冷却技术

另一方面,作为此类电子冷却技术的新型冷却剂,奈米流体与其基液相比表现出明显更高热特性,如导热性、对流性及沸腾性等传热系数。实验结果证明奈米流体确实比传统冷却剂传热性能佳。此外,奈米流体应用的有限研究结果也证实,与传统冷却剂相比,这种新兴流体冷却电子设备的效果更好。然而,要将奈米流体应用在各种电子冷却系统,评估其适用性和性能仍然非常重要。

诸如微通道系统之类的新兴冷却技术与这些新型流体一起使用,可以显着提高它们的散热性能,同时满足产生高热量电子设备的冷却需求。因此,奈米流体微通道诚为下一代有前途的电子冷却技术。然而,要在电子工业中实现和商业规模下应用,奈米流体微通道冷却需要作更广泛地研究。

责任编辑:朱颖

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2019-04-01 8:05 AM
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