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电子设备液冷技术研究进展

中国电子科技集团公司第三十八研究所

摘要： 随着电子设备发热功率密度的不断增加，传统的风冷已经无法满足高热流密度电子设备的散 热。液冷技术是通过液冷介质与热源接触进行热交换，再由冷却液体将热量传递出去，具有高换热系数、良好的流动性及稳定的工作能力，因而成为现代电子设备冷却系统的首选。为了进一步适应新型电子设备的高性能、高可靠、低成本的发展趋势，液体冷却方式需要在理论分析和优化结构上做进一步的研究。文中首先综述了几种常用的液冷技术的原理、特点、研究动态和工程应用，并提出了液冷技术发展的趋势。

关键词： 电子设备;散热;液冷

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引言

随着电子元器件技术和微组装能力的迅速发展，电子设备发展呈现出高集成化、小型化和高频化的趋势，随之而来的是电子设备热流密度的增加，这对设备的稳定性和使用寿命提出了很大的挑战。研究结果表明，单个半导体元件的温度每升高 10 ℃，系统的可靠性将降低 50%。因此有效的散热冷却方式和良好的冷却效果是确保电子设备高可靠、长期运行的基础，并随着电子设备的发展显得愈加迫切和重要。

近年来，随着电子设备冷却技术在工程应用和理论研究上的不断深入，冷却方式也呈现出多样化，从传统的直接自然冷却、风冷和液冷技术，发展到热电制冷、半导体制冷、液态金属冷却、离子风冷等新型冷却技术。最常用的自然冷却和风冷技术的散热能力已经达到极限，随着电子设备元器件发热功率的提高，自然冷却和风冷技术已不能满足其散热要求。新型冷却技术虽然在理论上展现出很好的冷却效果，但是由于这些冷却技术大多处于研究开发阶段，其实际的冷却效果及稳定性还有待进一步深入考察。

液冷技术是通过液冷介质与热源接触进行热交换，再由冷却液体将热量传递出去。液体具有高换热系数、良好的流动性及稳定的工作能力，这使得液冷技术成为电子设备冷却系统的首选。本文主要论述几种常用的液冷技术的研究动态和热设计工程应用实例。

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液冷技术研究进展

液冷技术分为直接冷却和间接冷却。直接冷却可以采用直接将电子设备浸入冷却介质或者电子器件的发热部分与冷却介质接触(如液体喷射冷却、液体喷雾冷却)来散热，受热升温的液体介质流动到其他低温部位再将热量散出去。间接冷却指热源不直接与冷却介质接触，而是通过冷板装置间接进行热交换，如循环管路散热冷却、微通道液体冷却和热管冷却。

1.1 液体喷射冷却

液体喷射冷却使用喷射器在需要散热的电子器件表面喷洒冷却流体，在器件表面形成的一层温度边界层有强换热发生从而带走热量，其结构如图 1 所示。通常使用沸点较低的液体(液氮、氟利昂)，具有较高的传热速率， 并且液体喷射速度很快，因而对电子元器件的冷却效果非常理想，可以满足电子元器件持续增加的发热功率对散热的要求，但是喷流冷却在热源表面的不均匀冷却性也限制了其广泛应用。

图1 液体喷射冷却示意图

1.2 液体喷雾冷却液体

液体喷雾冷却是利用喷嘴喷出的许多微小液滴形成的群体法向猛烈撞击热源表面，从而在表面形成一层冷却液薄膜，随着液膜的流动或冷却液遇热蒸发带走热量，如图2所示。雾化喷射冷却换热效率高，且冷却均匀，适用于一些对温度要求很严格的领域。尤其是液体喷雾冷却在对尺寸、重量和性能有严格要求的机载电子设备上具有很强的适用性，适合其液冷系统模块化设计，成为未来机载电子设备冷却技术的主要研究方向。如美国 EA-6B 和全球 鹰目前已采用了该冷却技术。国内关于液体喷雾冷却技术也开展了一些试验性研究，但实际的工程应用还未见报道。

图2 液体喷雾冷却示意图

1.3 循环管路散热冷却

常用的循环管路散热冷却系统水冷系统主要由 4个部分组成:冷板、液压泵、储液箱和散热器，其结构如图 3 所示。储液箱中的冷却液在泵的作用下通过循环管路流动至与热源直接接触的冷板，吸收并带走热源热量的液体进入散热器，在降低温度后重新进入储液箱，最终再进入泵，从而形成一个完整的循环。循环管路散热冷却散热效率高，散热器件易加工，成本也较低，并得到了广泛的应用。目前，相关研究主要是通过优化流道结构，结合计算仿真与试验测试手段来降低冷却液流阻，提高散热效率，减小系统尺寸和质量。在进行某机载 S 形深孔冷板优化设计时，采用冷板双进、双回和双出的流道结构形式来降低流阻，提高散热效率，试验结果表明冷板流阻下降了 1/3，最大温差下降了 4.5 ℃。由于弹载平台封闭空间狭小，针对弹载雷达高热流密度组件的散热问题，设计出结构紧凑、工作可靠的均温板强迫液冷散热系统，组件芯片的热量通过均温板传递至液冷冷板并进行强迫液冷散热，达到了空空导弹的工作要求和测试要求。

图3 循环管路散热冷却结构

1.4 微通道液体冷却

微通道液体冷却技术是在硅基板或金属基板上采用光刻、化学刻蚀、电火花加工、离子 束加工以及钻石切削等技术制造出微尺度通道，再经键合封装形成封闭的循环冷却通道，液体工质在通道内流过时通过蒸发或者相变直接将热量带走。典型的微通道液体冷却结构如图 4 所示。

图4 微通道液体冷却结构示意图

微通道内的冷却介质被加热会迅速转变为处于高度不稳定状态的核态沸腾，具有很大的对流换热系数，并且通道内换热面积随着其数目的增加而提高数十倍，另外微通道内流体分子滑移现象的存在减少了冷板上的流体阻力。因此，相比于传统液冷散热，采用微通道进行冷却能够大幅提高散热能力，使之成为目前液冷领域的一个研究热点。针对传统冷却技术散热很难突破 100 W/ cm ² 的局限，提出了基于 V 型槽的微通道冷板结构设计，并根据有限元分析结果进一步优化分歧管的结构位置，使得其散热能力高达 500 W/ cm ² 。文献报道了微小通道液冷冷板散热在全数字阵列模块冷却过程的应用。该冷却系统采用冷板流道内嵌微小型肋片群形成微小通道的液冷流道结构，通过这种结构优化设计使得微小通道冷板散热能力达到常规蛇形通道冷板的 4 倍以上，并成功应用于某型数字阵列模块冷却。目前微通道传热仍然面临微通道截面积很小、流动阻力大等问题，需要进一步优化。

1.5 热管冷却

热管冷却是利用工质的相变来强化换热，实现高效散热的目的。图 5 为典型的环路热管结构示意图。热管冷却系统一般由密闭容器、毛细结构、冷却介质构成，其热量传递过程可以分为蒸发段、绝热段和冷凝段3 部分。工作原理为处于饱和状态的冷却介质储存于储液器中，储液器与电子设备接触，冷却介质吸收电子设备的热量蒸发汽化后在微小的压差下流向温度较低的冷凝段，释放热量之后又凝结成液体，该液体在毛细力作用下重新回流到储液器内，形成循环。电子设备产生的热量在冷却介质的一次蒸发和冷凝后传递给了外界环境，完成了电子设备的散热。热管是一种传热效率极高的传热器件，它的热导率比良好的金属导体大 10 ³ ～10 ⁶ 倍，有近超导热体之称。与传统散热设备相比，热管冷却热流方向具有高可变性、热响应性和等温性，可以实现远距离转移热量，并且其系统空间尺寸小、重量轻、构造简单。在应用热管传热时，主要问题是如何进一步减小热管两端接触界面的热阻，并且其技术要求和价格都较高，目前主要应用于高端计算机及航天航空领域｡

图5 环路热管结构示意图

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液冷技术发展趋势

2.1 优化流道结构以提高散热效率

结构优化设计可以大幅提高现有冷却技术的散热效果，也是液冷技术发展的重点。针对电子设备中多核微处理器架构需要更高的冷却剂流量以及数据中心热量消除所需能耗加剧的问题，从结构优化设计着手，在微通道液体冷却技术的基础上提出了一个新颖的概念即以热点为目标的嵌入式冷却结构(HT-ELC)，如图 6 所示。

图6  HT-ELC 结构示意图

和传统的嵌入式微通道液冷技术相比，HT-ELC从微观结构上合理地分布热点冷却通道，使得“粗化”的背景冷却通道和节流区可以协同调节不同区域的芯片的液体冷却剂流量。基于这个概念进行设计，通过详细实验测量获得对比结果，结果表明在 150 W/ cm ² 平均稳态热流核心区域(热点) 和 20 W/ cm ² 背景区域，常规微通道液体冷却只能降低 4℃，而 HT-ELC 将芯片的温度降低了 10℃，表现出高效的冷却效率。目前，在热流密度非常高的三维集成电路冷却系统中采用微流体通道可 以有效降低芯片温度，但是也存在泵送液体导致的高压下降引起芯片结构不稳定。为此，文献提出了在直通硅晶穿孔技术的基础上，通过跨冷却层垂直互联与芯片上的无线互联协同设计达到高效的散热效果及大幅降低泵送液体压力，实现持续高效稳定地工作。

2.2 新型高效的冷却介质

使用导热系数更高的纳米流体、液体金属替代传统的冷却介质可以提高冷却能力。纳米颗粒与表面活性剂、可溶性添加剂不同，这些 1～100 nm 尺度范围的金属或非金属颗粒可以形成稳定悬浮工作流体，与传统液体相比，具有无与伦比的优势，如更高的导热系数、较大的比表面积、腐蚀轻等优点，在性能上完全可以替代目前常规的冷却介质。Choi 和 Das 的研究表明要使传热效率提高2倍，液冷中使用的泵的功率需要增加10 倍，而使用纳米流体作为冷却介质，在保持原有泵功率的情况下可以将传热效率提高近 3 倍。目前，许多研究人员正在研究多样化的纳米流体及其应用，但喷雾冷却系统中适用的纳米流体的研究才刚刚起步，这也是未来研究和开发的重点。

2.3 混合冷却协同

依据设备的不同散热需求采用混合冷却的设计方案，达到最佳的冷却方式组合，最大限度地发挥液冷系统的散热性能。文献开展了芯片的混合冷却效果评估，在其混合冷却系统中将液体冷却系统和蒸汽压缩式制冷系统的优点相结合，采用 Al 3 O 2 /H 2 O 纳米流体作为液冷冷却介质，碳氢化合物作为制冷系统制冷介质，并测试了不同环境下的散热效果，实验结果表明相比于单一的液冷系统和蒸汽压缩式制冷系统，混合冷却系统的散热功率可以提高 90 W 和 280 W。该混合冷却方式不仅适合芯片冷却，也可以应用于其他高热流密度电子设备的冷却。除了冷却方式混合能够取得最佳的冷却效果，针对不同的冷却介质，通过合理的配比将不同属性的冷却介质混合也能最大限度地发挥冷却协同的作用。液态金属相比于水具有更高的冷却效率，但过高的价格限制了其广泛使用，基于此，文献研究了液态金属和水混合的冷却效果，实验结果证实了其高效的散热效果及合理的成本能够满足目前多数的高热流密度设备散热需求。

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结束语

随着电子设备发热功率密度的不断增加，传统的风冷散热方式已不能满足其散热需求，换热效率更高的液体冷却方式将成为主流。本文概述了几种现代电子器件冷却方法的基本原理和研究现状。为了适应新型电子设备高性能、高可靠、低成本发展的趋势，液体冷却方式需要在优化结构和理论分析上做进一步的研究。未来，液体冷却的研究重点主要包括:1)通过优化流道结构来提高散热效率;2)使用导热系数更高的纳米流体、液体金属替代传统的冷却介质;3)依据设备的不同散热需求采用混合冷却的设计方案，达到最佳的冷却方式组合，最大限度地发挥液冷系统的散热性能。