浅谈CPU散热器的发展现状与发展趋势

引言

过去的三十年见证了现代电子工业的个人电脑及其服务器的日新月异。同时，由于增加的热流体的散热问题严重阻碍了超级高性能的CPU的发展。目前，传统的冷却技术，如风冷，水冷和热管依然在散热领域扮演着主要的角色。这主要归因于这些技术，结构简单，冷却效率高以及低成本。除此之外，一系列的新的和更高级的冷却技术正在涌现，比如说，微通道，离子风，压电式翅片，磁性极化纳米流体，以及微包裹体相变流体等。这些令人欣喜的策略具有独一无二的优势以及一些甚至能够处理极端高热流体的条件。然而，对于大部分散热的方式来说，一些技术问题，比如复杂的制造工艺，高成本，以及可靠性问题，离大规模的商业使用依然有很大的提升空间。

在许多的新创意中，液态金属冷却技术迅速成为了近年来最吸引人的散热技术。它最典型的优势在于，液态金属的高的热物性以及它独一无二的电磁驱动特性。目前，基于金属镓的合金被认为是最好的可用于该技术最好的材料。该合金的有低的熔点（<10℃），高的导热率，无毒，高的沸点，因此有了优秀的冷却能力和高的可靠性。

现在最常用的风冷技术已经达到了它的极限，随着CPU芯片集成技术的发展，风冷技术将无法满足市场的要求。新型的液体金属散热方法虽然理论上具有很大的发展潜力，但昂贵的价格不利于大规模生产，而且在实际应用中其散热效果并不理想，与目前最先进的风冷散热器相比，并没有完全处于优势地位。液体具有良好的流动性和导热性，因此液体散热技术的应用非常广泛，成为各种台式计算机及大型工作站散热的首选，而且效果也明显优于常规的风冷散热。目前对于液体冷却主要是研究其流道结构和冷却液成分，冷却液主要包括水、纳米流体、液体金属。液态金属的导热系数最高，其次是纳米流体，最后是水。谢开旺提出在液体金属中加入纳米粉体，可以形成导热系数更高的纳米金属流体。宋思洪等通过研究表明，不同功率下芯片温度随导热系数的升高而降低，但导热系数越高，芯片温度降低的幅度越小，可见单纯提高导热系数并不能大幅提高冷却液的散热性能。因此，还需从冷却液的其他热物性方面入手（如提高比热）来增强工质的散热性能，以期获得一种具有较高导热系数以及较大等效比热的潜热型低熔点液态金属功能热流体。

   1 液体散热技术

CPU芯片过热所导致的“电子迁移”是造成CPU内部芯片损坏的主要原因。电子迁移是指电子流动所引起的金属原子迁移的现象。在芯片内部电流强度很高的金属导线上，电子的流动会给金属原子一个动量，当电子与金属原子碰撞时，可能会使金属原子脱离金属表面四处流动，导致金属表面上形成坑洞或凸起，这是一个不可逆转的永久性伤害。如果这个慢性过程一直持续，则将最终造成内部核心电路的短路或断路，彻底损坏CPU。

液体冷却是一种非常有效的散热手段，被广泛应用在工业上，如强激光和高功率微波技术的散热系统、汽车发动机的热交换等。液体具有非常高的比热容，可以在CPU 芯片的发热部位吸收大量的热，而且由于良好的流动性，液体可以流动到其他低温部位再将热量排出，这样连续不断地吸热和散热，保证了芯片部位一直处于较低温度，从而达到保护芯片的目的。

表1  目前ＣＰＵ芯片的散热方式

常用的液体冷却方式有三种：大器件的液体冷却循环技术、热管技术和雾化喷射冷却技术。大器件的液体冷却循环系统最常用，也已经有多种产品问世；热管技术在笔记本电脑中的应用较多，在台式电脑中应用较少；而液体喷射冷却技术只见文献报道，未见实际应用。目前研究较多的冷却液是水、液态金属和纳米流体。纳米流体多用于汽车发动机的冷却，其优异的传热性能备受关注，在电子芯片散热方面也有很大的发展潜力。

2　液体散热器的结构

2.1　常用液冷循环系统

通常的液体散热器即大器件的液体循环冷却系统如图１所示，由一根出水管、一根进水管和与芯片接触的蓄水槽组成。其中蓄水槽的部分是最重要的部分，其内部构造决定散热效果的优劣，以微槽通道联通液体循环的路径。另外液体的循环需要外加动力源，于是在系统中还必须要有一个水泵给液体施加压力，使其流动起来。

图１　常用液冷循环系统示意图

如果电脑发热量较大或需要长时间大负荷运行，还可在散热器的冷凝段加风扇，用以加速液体的冷却，但这样做也会产生负面影响，如耗电、传送距离短、有噪音、体积大、安装麻烦等。为了解决外接动力源，达到节能的目的，可以使用电渗流微泵（EOF-micro-pump）作为流体驱动装置，微通道冷却系统（Micro-channel cooling system）就是一种具有非常理想的散热效率的装置，系统的最大散热功率超过200W，完全能够满足芯片的散热要求。电渗泵原理如图2所示。

图２　电渗泵原理图

杨涛对多孔介质电渗泵性能进行了研究，分析了电渗泵的流率和压力，研究证明电渗泵符合液体冷却系统的要求。电渗泵基于电渗作用驱动电解液向前流动，称之为电渗流，可在液体中利用其中的离子进行能量转换，使液体流动。这种方法可以很好地实现外加动力、减小体积和方便安装等功能目标。电渗泵无可移动部件，性能优良，是微流体系统首选的驱动泵。

2.2　雾化喷射冷却系统

雾化喷射冷却是通过雾化喷管借助高压气体（气助喷射）或依赖液体本身的压力（压力喷射）使液体雾化，将其强制喷射到发热物体表面，从而实现对物体的有效冷却技术。雾化喷射冷却是大量雾化后的微小液滴群撞击被冷却壁面的行为，该物理过程的换热机理十分复杂，众多影响因素相互牵连，给实验研究带来了很大困难。雾化喷射冷却的简化示意图如图３所示。雾化喷射冷却是一种非常有前景的高热流强制冷却技术，其换热强烈，具有很高的临界热流密度值（CHF），且冷却均匀，适用于一些对温度要求很严格的领域（如在微电子、激光技术、国防、航天技术等），并显出独特的优势和重要性。液体喷射冷却是一种利用液体吸收热量并依靠液体良好的流动性带走热量的高传热率的散热手段，当液流喷射速度达到47m/s时，其散热能力高达1700，该技术已应用于冶金、化工等多种工业过程中。刘天军设计了一种基于叠堆式压电陶瓷驱动流体对芯片底层进行喷射冷却的冷却器，叠堆式压电陶瓷微位移器与压电薄膜相比，具有位移分辨率高、频响高、承载力大的优点。这种方法对电子元器件的冷却效果非常理想，可以使器件表面的温度降低到所要求的温度，而且冷却的速度非常快，能够满足电子元器件持续增加的发热功率对散热的要求。但对于电子元器件而言，冷却液还需具有惰性、绝缘性和优良的导热性，同时散热器也应具有完善的封装技术。

图3　雾化喷射简化示意图

目前此项技术还处于理论研究阶段，理论分析还不够深入，主要依靠实验模拟手段，还难以达到工业化生产的目标。

2.3 热管冷却系统

热管是一种非常有效的传热元件，其原理简单，基本工作原理如图4所示。

图4 热管工作示意图

典型热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成0.13×10-0.13Pa的负压后充入适量的冷却液，使紧贴管内壁的吸液芯（毛细多孔材料）中充满液体，然后加以密封。管的两端分为蒸发段和冷凝段，二者可以互换。当热管的一端受热时，液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向温度较低的另一端，放出热量后凝结成液体，液体再沿多孔材料依靠毛细力作用流回蒸发段，形成循环，热量就由热管的一端传至另一端。由于在蒸发端，液体经过毛细孔时会出现弥散效应，王补宣等进行了平行平板间填充球粒填料的传热特性实验研究，发现平行平板间填充小颗粒球粒具有较好的强化传热效果，与不填充填料时相比，其对流换热系数一般增加3-5倍。

表2　三种散热器件的对比

由表2可知，三种散热技术中，普通的水冷散热循环，原理简单、技术要求低，容易规模化生产，但散热效果相对较差，虽能够满足较高要求的计算机散热，但难以适应未来计算机芯片的高速发展。热管技术的工艺要求相比液体喷射系统低许多，且技术成熟度明显高于后者，散热效果也明显优于普通液冷循环系统，因此热管技术应该是未来计算机冷却散热系统的首选。倘若液体喷射系统的技术更加成熟，工艺要求更加简单，则很有可能取代热管系统。

3冷却液材料

3.1　水

目前关于液冷散热的研究，大多采用水作为冷却液。水作为最常用的液体工质，具有非常高的比热容和优异的流动性，且非常廉价，因此具有很强的实用性。常用液冷材料的一些热物性如表3所示。

表3　常用液冷材料的一些热物性

从表3可以看出，水是比较理想的冷却液材料，但若能在水中添加少许乙二醇、丙三醇等粘度较大的液体，可改善水的性能，提高其比热容、导热系数，降低挥发性，从而改善冷却效果，使水冷散热器的散热效果更加显著，提高其开发和应用价值。

3.2　液态金属

利用金属液体作为散热工质最早应用在核反应堆的热传导上。2002年，华中科技大学刘静提出其在CPU芯片散热方面的应用，随后引起多方关注，国内外普遍围绕液态金属作为冷却液展开研究。2013年华中科技大学邓越光对实验的液态金属的原型的关键参数进行了优化。热传导回路中的电磁泵和翅片散热器是影响冷却系统的表现的关键因素。经过实验比较，尽管液态金属的散热效果在热功率低于100W时仅次于热管，但是，在加热功率在400W或更高时，液态金属有更好的散热性能。图5、6 为电磁泵及其原理示意图。液态金属目前的工作主要包括降低液态金属的熔点，研究液态金属的粘度、导热系数、比热容等热物性和驱动方式及寻找新的液态金属成分以降低成本等方面。2005年，第一家液体金属散热器公司Dynamics成立，2008年，第一代液态金属散热器LM-10问世，后来又有其升级版问世。

图5   典型的电磁泵

图6  泵内流体的路径示意图

表4  镓铟合金液态金属与水的部分热物性

液态金属是熔点特别低的金属如Na、K、Ga、In等形成的合金，其在常温甚至零度以下也保持液体形态，从而能够代替水等常规冷却液。由于金属的导热系数远远高于水，液态金属的流动性能也非常出众，同时熔点也可以降低到零度以下，与水相比其使用范围更广，因此液态金属有很大的潜力。镓铟合金液态金属与水的热物性比较如表4所示。

为进一步提高液态金属的导热性能，马坤全等根据纳米流体理论，以液态金属为基液，添加纳米颗粒，配制成纳米流体。由于大多数固体材料的导热系数均大于液体，因此由颗粒和流体组成的混合物导热系数将高于液体本身的导热系数，而且液态金属的密度大，可以使纳米流体的颗粒含量更高且不易沉降，同时系统也更加稳定，导热性能比其他基液的纳米流体更强，制备以液态金属为基液的纳米流体是目前研制导热性最强的终极冷却剂的技术途径。另外，液态金属还可采用电磁驱动的方式进行驱动，这种驱动方式无运动部件，具有可靠性高、振动噪声小、结构简单紧凑、功耗小、可控性强等优点。液态金属的优势非常突出，同时缺点也很明显，即价格昂贵。而相对低廉的Na、K合金又具有极大的危险性，用Ga、In做成的散热器LM-10的价格是目前最好的风冷散热器的３倍以上，但散热效果却没有明显改善，不具有市场竞争力。

3.3纳米流体

在普通冷却液（水、乙醇等）中添加纳米液滴，可以增强其导热性。2006年马里兰大学帕克学院机械工程系的Yang.b和Han,Z.H.等考察了纳米液滴添加到FC-72（全氟化学品）中对其传热能力的增强效果，其中液滴直径约9.8nm，体积分数为12%，测得的有效热导率增加了52%。由于FC-72常用于浸入式芯片散热的工质，添加纳米液滴到这种介质中可望提高芯片的冷却效果。由于固体颗粒具有比液体高几个数量级的导热性能，因此添加固体纳米颗粒配制成的溶液，其导热系数要比普通的纯液体高出许多。表5是多种纳米材料与水的导热系数的对比。

表5　多种纳米材料与水的导热系数

纳米流体是指在液体基液中加入金属、金属氧化物或非金属的纳米颗粒配制而成的较稳定的悬浮液。Eastman等通过气相沉积法制备了Cu－机油、CuO－水、Al3O2－水等几种纳米流体，通过静置实验及电镜观察发现，纳米流体悬浮液中粒子分散性较好、悬浮稳定性较高，纳米流体可稳定悬浮一周左右，且有效导热系数比其固相提高了40-150%。郭守柱等发现在液体中加入磁性纳米颗粒，在磁场的作用下可使液体导热系数提高300%。纳米流体在热力学上是一个不稳定的系统，悬浮着的颗粒终究会因团聚而沉降，因此延长颗粒物的悬浮时间便是一个非常重要的研究方向。杨雪飞通过对SiO2纳米颗粒进行表面改性，使SiO2表面形成“Si-O-Si”的稳定结构，从而制备出悬浮稳定性能优异的纳米流体，系统的稳定时间超过一年。金属单质的导热性能非常好，但纳米级别的金属单质具有危险性，因此应该在它们的氧化物中寻找更加合适的纳米粉体。目前对纳米流体的研究主要集中在系统稳定性和纳米粉体种类的选择上，其中碳纳米管、纳米SiO2、纳米CuO。

４　结束语

计算机芯片的发热量不断增加，传统的风冷散热方式会被逐渐淘汰，功能更加强大的液体冷却方式将成为主流。散热器件和冷却液的性能直接影响着散热效果的好坏。常用散热循环系统、热管和液体喷射系统三者各有优点，但就目前来看，普通液冷循环系统更占优势；热管系统应该在降低成本和简化工艺上做进一步的研究，其很有可能成为主流器件；而液体喷射技术则需要在简化结构和理论分析上做进一步的研究。水作为CPU散热的冷却液材料目前还能满足要求，但长远来看，纯水将被纳米流体和液态金属所替代。液态金属虽具有优于纳米流体的导热系数，但其高昂的价格难以让普通消费者接受，且性价比不高，降低成本和提高潜热等热物性将是其主要的研究方向。纳米流体具有很好的导热系数和较大的比热容，将会是未来CPU散热冷却液材料最合适的选择，其下一步的研究重点应放在提高稳定性和导热系数等热物性上。

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