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1、科技报道Ξ芯片冷却技术的最新研究进展及其评价李腾刘静(中国科学院理化技术研究所北京100080)摘要芯片集成度的提高,要受到因电子元器件发热而引起的热障所限制。近年来,随着微Π纳电子技术的飞速发展,更使得对高性能冷却技术的需求提到了前所未有的层面。对此的全力追求,促成了一系列激动人心的新型冷却方法的建立。在讨论电子元器件产热机制的基础上,对新近涌现出的若干典型芯片冷却技术及其应用情况进行了综合分析,讨论了其优缺点及有待解决的关键问题,并对这一领域的发展前景作了一定展望。关键词热工学;芯片冷却技术;综述;芯片封装;强化换热;气冷;液冷;固体制冷Lat
2、estResearchAdvancementandAssessmentofChipCoolingTechniques☆LiTengandLiuJing☆TechnicalInstituteofPhysicsandChemistry,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080AbstractImprovementonthechipintegrationdensityhastofacetherestrictionfromthethermalbarriercausedbytheheatgenerationwithinth
3、eelectronicelements.Recently,withtherapidprogressofthemicroΠnanoelectronics,require2mentonhighperformancechipcoolingtechniqueshasbeenfurtherplacedatanewhighlevel.Effortsmadetowardsthisdirectionhaveledtotheestablishmentofaseriesofnewexcitingmethods.Basedonanalyzingtheheatgenera
4、tionmechanismsoftheelectronicelements,thenewlyemergingchipcoolingtechniquesandtheirpracticalapplicationsarereviewed.Advantagesandshortcomingsofthesemethodsandtherelativecriticalissuesareevaluated.Prospectinthechipcoolingareaisalsostated.KeywordsPyrology;chipcoolingtechnique;re
5、view;chippackage;enhancedheattransfer;gascooling;liquidcool2ing;solidrefrigeration成有4200万个晶体管。根据著名的“摩尔定律”推1芯片发展趋势对冷却性能的要求算:芯片上的晶体管每18个月翻一番,那么到2010微电子芯片的应用遍及日常生活、生产乃至国年,芯片上晶体管的数量将超过10亿。高集成度对家安全的各个层面,在现代文明中扮演着极其重要于计算机性能的升级是有利的。然而,由此带来的的角色。芯片发展的趋势是进一步提高集成度、减问题是,芯片耗能和散热问题也凸现出来。与晶体
6、小芯片尺寸及增大时钟频率,这由图1反映的几种管集成度迅速提高趋势相伴随的是,芯片功率与功具有革命意义的集成电路的发展沿革中即可略见一率密度也急剧增加:与摩尔定律类似,CPU芯片的功[1]斑。1971年Intel公司生产的第一个芯片只含2300率每36个月翻一番。图2反映了Intel公司生产个晶体管,而如今在一枚Intel奔腾4芯片上,就集的芯片设计功率随时间增长的情况。(a)(b)(c)图1(a)第一个晶体管(1947年,贝尔实验室);(b)第一块大规模集成电路(1971年,Intel4004微处理器);(c)目前市售PentiumR4内核Ξ收稿日
7、期:2004年02月02日现有AMD桌面Athlon1200MHz产生的热量高需求也就随之增长,可以预期其容量将大大超过当达66瓦,即使是英特尔(Intel)MobileP4-M也有30前水平。多瓦,一颗Pentium4@2GHz芯片的消耗功率更高达75瓦!由此带来的过高温度会降低芯片的工作稳定性,增加出错率,同时模块内部与其外部环境间所形成的热应力会直接影响到芯片的电性能、工作频率、机械强度及可靠性。Intel公司负责芯片内部设计的首席技术官帕特·盖尔欣格指出“:目前,我们在设计和制造芯片时仅受到生产成本的限制。但放眼看去,耗能和散热将成为一个根
8、本性的限制,我们必须在芯片总体设计中认真考虑这两个问题。”“如果图2IntelCPU功耗随年代的增长图芯片耗能和散热问题得
