计算机CPU芯片散热技术

　　其它计算机CPU芯片散热技术刘I兵1‘2（1湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082；2邵阳职业技术学院机电工程系，邵阳422000）注的研究热点。阐述了高温对CPU性能影响的机理，综述了常用的CPU散热技术如风冷、水冷散热、热电制冷及热管散热和微槽道散热技术的原理，研究进展及优缺点，并对这一领域的发展前景进行了展望。

　　基金项目：湖南省邵阳市科技计划项目（08SC016）支持。

　　1刖目随着电子计算机制造技术和工艺水平的不断提高，计算机微处理器CPU朝高集成化、小型化和高频化趋势发展，导致CPU散热量的增加。

　　1971年htel公司推出世界上台微处理器4004其集成度为2300个晶体管，到2004年htel公司推出下一代64位处理器Madison 9M和Deerfield其集成度超过5亿支，CPU的特征尺寸在1990年~2000年内由035Um减少到018如，散热量由10W增加到50W.到了2005年，Inte讼司生产的台式机CPU采用0.09Um的封装技术，其大发热量达115W.2000年美国半导体工业协会预计，到2011年采用004*工艺，高性能微处理器将在8 17cm2的面积内集成109个晶体管，片内时钟达10GHZ，工作电压仅0.6V，芯片功耗高达177W.因此，需要采用高效散热技术来解决CPU的散热问题，散热设计的优劣直接关系到CPU芯片的性能与可靠性。Intel在其技术论坛中指出，由于线宽进入纳米尺度时其漏电流与散热问题迟迟无法获得一个妥善的解决方案，因此暂时放弃开发更高主频率的CPU，转向发展双核心甚至多核心CPU.由此可见CPU的散热受到严重的挑战。

　　要解决CPU的散热问题，可从两方面入手：运用省电技术减少计算机特别是笔记本电脑热量的产生，如Intel的Speedstep变频省电技术，AMD的PowerNow技术及Crusae的Lon"gRun能源管理技术，它们都能使电脑发出更少热量及噪音，这些节能的处理器即具有更高的性能，也为有效解决CPU散热问题提供一条新的途径；改善散热系统，使电脑具有更好的散热效果。

　　本文首先讨论温度对CPU性能影响的机理，然后综述了常用的几种CPU散热技术的原理及研究进展情况，并对其优缺点进行讨论。

　　2高温对CPU损伤的原理根据电子学理论，热量不直接损伤CPU（CPU因过热炸裂除外），而是过热引起的“电子迁移”

　　现象在损坏CPU内部的芯片。“电子迁移”是指电子做定向流动时，会撞击金属原子，导致金属原子的移动。

　　在CPU内部电流强度很高的金属导线上，电子的流动提供金属原子的动量，一旦与金属原子碰撞，金属原子就会脱离其表面四处流动，导致金属表面上形成坑洞或土丘，造成不可逆转的性损伤。“电子迁移”现象不会立刻损坏芯片，对芯片的伤害是一个缓慢的过程，如果CPU持续在高温下工作，后会造成核心内部电路短路或断路，后彻底损坏CPU.且温度越高，彻底破坏CPU的速度就越快，CPU的寿命就越短……液体工质在蒸发段被热流加热蒸发，其蒸气经过绝热段流向冷凝段，在冷凝段蒸汽被管外冷流体冷却放出潜热，凝结为液体，积聚在散热段吸液芯中的凝结液借助吸液芯的毛细力作用，返回到蒸发段再吸热蒸发。热管工作时具有以下特征：轴向和径向的温度梯度都很小；轴向导热量和对流相比可略去不计。

　　热管是通过相变潜热来传递热量，其导热性能很高。由于热管技术具有极高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向可逆性、恒1998年，美国桑迪亚国家试验室首先将热管技术用于冷却计算机芯片，而IBM是真正将热管散热引进笔记本电脑散热的厂商，用于笔记本电脑散热的热管属小型热管，其外径为3―5mm内径为26―4mm，长度小于300mm，可以弯成各种形状。小型热管在笔记本电脑中CFU的安装方温性的适应性等优，良！特点，滓满足电子设触电脑掌上电脑等便携式电子产品散热方面的传netbookmark2式及散热方式由散热功率确定。一般6W以下散热量安装在键盘以下，利用键盘板作为对外散热的手段（如（a）所示），或安装在机盒底板上（如（b）所示）。当CPU散热量达到7将CPJ热量传至显示屏与盒体的连接铰链块上，再用第二根热管将此热量传至显示屏背后的铝板上；强制对流方式是将CPU热量传至装有扁平微型热管的铝板上，再由扁平热管将热量传递到带有很多薄翅片的铝板散热片上，在散热器前方有一个微型风扇将热景排出去。

　　热性能，热管壳使用铜材，液体工质为纯净水，实验得出了热管散热的传热系数和各种传热极限，并通过对比实验得出热管横截面为三角形热管的传热性能优于横截面为矩形的热管的结论。SeokHwanMoon等通过实验确定了带有曲边的三角形的横截面和矩形横截面的传热性和传热极限，并通过对扁形热管的挤压厚度、横截面高度、总长壁、热流和倾斜角的研究提出了对笔记本电脑冷却的小型热管的热性能改进的方法和建议。

　　随着微电子技术的发展，台式计算机高性能的CPU散热量已达到50- 10CW甚至更高，常规的风扇强制散热方式难以满足其要求，而热管散热成为其的散热手段。IKwang―SooKm等通过实验对台式机CPU冷却技术进行了分析研究。当风扇在高转速状态下，CPU散热效果好但存在严重的噪声问题。当风扇配合热管散热时，即使风扇在低速状态下，散热效果仍突出，并减轻了噪声问题。实验还比较了热管在台式机中不同的安装方式对散热的影响。Fujikuia公司开发出一种所谓“仙人掌式热管”，其散热效果与冷风的流速有关。

　　国内学者在理论和应用上进行了初步的研究。王充、马咏梅等在台式计算机核心部件上散热，解决了计算机用传统风扇散热差，与外界对流导致灰尘沉积在主板上所带来的安全陷患问题。殷际英对热管用于笔记本电脑CPU散热建立了传热模型，对传热机理进行了定性分析，通过计算机设计了热管散热的原理结构。白敏丽等提出了将立体蒸汽腔和热管两相传热结合，用于CPU冷却的集成热管散热器新概念，并对设计出的集成热管散热器的传热性能和整体的均温性进行了试验研究。表明这种结构具有散热效率高、结构紧凑、接触热阻小、成本低、重量轻等特点，可以满足未来大功率CPU散热的要求。

　　35微槽道散热技术微槽道热沉是在很薄的硅片或其他合适的基片上，用光刻、蚀刻及切削等方法，加工成截面尺寸仅有几十到上百微米的槽，换热介质在这些槽道中流过并通过基体与别的换热介质进行换热。这种微槽道热沉结构早由Tuckeiman和Pease于1981年提出，并从理论上证明了水冷却微槽道的散热能力可达1000W/cm2.斯坦福大学的Goodson等获得风险投资创立了Cooligy公司，其芯片冷却技术采用微槽道实现液体对芯片的冷却和液体向环境的散热，通过液体电渗驱动循环，电渗泵无运动部件，提供的压差大，可使用低浓度溶液作冷却液，且耗能小，因而适合用于CPU芯片的冷却，已实现芯片在200W散热量下可使温升降低20K，而泵的功耗不到IW，超过了一般热管的冷却能力。

　　胡学功等利用微槽道蒸发型热沉技术设计了一种新颖的用于电子芯片散热的微槽群蒸发器，通过与主流的奔腾4CPU芯片风冷散热器的散热性能比较实验发现，在低于芯片容许上限温度的范围内，微槽群蒸发器具有更高的散热热流密度，更适于具有高发热热通量和热敏性强的高性能电子芯片的冷却。

　　迄今为止，该领域尚无系统的机理和理论研究，许多问题如低雷诺数下微流体的流动问题及边界条件及流体动力学有特性的热流分析都需要进一步的探讨。

　　36其他散热技术应用微型热管散热将热量滓到专门风道内集中pub热h该石墨膜片与铝复合化用以改髹曲加工ki.netbookmark3松下笔记本电脑工作频率为1. 12W的微处理器采用热扩散性极高的石墨片用作散再用铝压着加工技术将石墨膜片周围密封，阻止石墨膜片发生粉尘影响外观。微处理器产生的热量可扩散至石墨膜片，并传导至键盘背部与外壳排至外部。采用这种散热方式的14SXGA液晶面板加DVD―ROM的整体重量不足15kSONY笔记本电脑使用7W的微处理器，利用设于主机板上下方的石墨膜片散热，该散热机构的重量比传统冷却风扇散热设计减少一半，成本则完全相同。

　　王朋、谷波提出将风冷和水冷有效结合起来的蒸发散热技术，利用蒸发相交带走潜热，有效提高CPU的散热效果，指出了渗透水的计算与控制、渗透能力试验和渗透材料的选择、散热器结构设计等相关的设想。

　　4结束语由于CPU的运算速度越来越高、功能越来越强大、封装技术向高密度发展，其有效的散热问题成为倍受关注的研究热点。本文就CPU芯片目前采用的主要散热技术及研究进展和存在的问题进行了综述。随着研究的拓展和深入，新的冷却方案及散热理论将不断地被提出来并应用到更新的领域中去，CPU芯片散热技术的内涵将不断得到丰富和延伸。