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呂錫民:電子冷卻新技術——奈米流體微系統

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【大紀元2019年04月01日訊】持續小型化和電子高端性能需求,導致電器產生熱通量急劇增加。面對不斷增加的冷卻需求和高發熱電子設備等挑戰,傳統冷媒和冷卻方法越來越無法解決。奈米流體具有優異的熱性能和眾多優點,在符合高發熱電子器件冷卻條件下,顯現巨大潛力。據信,這種新型冷卻劑在諸如微通道和微熱管等創新技術中,可徹底改變未來電子設備的冷卻技術。

2006年,製造晶片每平方釐米已包含多達1億個電晶體,目前超級強大的10核心Xeon處理器(Haswell-EP)內含55億個電晶體,而20世紀90年代的32位處理器僅有310萬個。目前半導體和微電子技術仍然遵循經典摩爾定律,朝縮小特徵尺寸、增加電晶體密度、更快電路速度及更高晶片性能等方向發展。

現代電子設計趨勢以越做越小為導向,然而,此種趨勢導致功率密度和高工作溫度顯著提高,以及電子器件低性能及低壽命等缺點,因為元件(如電晶體)整合度增加,晶片或器件上的功率耗散變得非常不均勻,使得晶片峰值熱通量往往高出周圍若干倍。事實上,隨著工作溫度升高,電子設備故障率幾乎呈指數上漲。如果移除熱量速率沒有等於或大於產生速率,則組件及設備溫度會持續上升,除了大幅降低可靠度和性能之外,還可能造成設備故障。

根據美國國防部電子設備可靠性預測報告,電子器具的失效因素,例如在75°C以上任何溫度的相對故障率,將隨著器件溫度升高,而呈現指數增長。Pedram和Nazarian(2006)報告中也提到,超過50%的積體電路(IC)故障與熱問題有關。依據IC設計經驗法則,界面溫度每下降10°C,故障率將減少一半,並且器件操作溫度越低,性能越可靠。2007年一項研究報導,許多微電子和電力電子業所面臨共同問題,在於如何將溫度保持低於85°C,同時也消除高熱通量(約300 W/cm2)。

由於傳統媒介(例如空氣、油及水等)熱傳能力的限制,大多數冷卻技術不能達到所需的散熱性能,肇因於傳統冷卻學理熱傳性能不夠充分,特別是固體熱傳導和流體熱對流。例如,為了在50K溫差範圍內達到100 W/cm2熱通量,20,000 W/m2K有效熱傳係數(包括可能的面積擴大係數)勢必具備,這不是普通冷卻劑的自然及強制對流所能做到。

目前迫切需要的是,找到具有優異傳熱能力的冷卻流體。根據研究顯示,最近出現一種很少用於電子設備中的高級冷卻劑液體—奈米流體(Nanofluid)可能擔當重任。此類新興熱傳流體是在傳統基液(Base Liquid)中,如水(W)、乙二醇(EG)及油等,添加奈米尺寸懸浮顆粒(通常<100 nm)。結果發現,與傳統基礎流體相比,奈米流體具有相當高的熱性能,特別是導熱性、對流性及沸騰等熱傳特性。

除了具有理想高熱性能外,這些新型流體還可在包括電子設備在內的廣泛領域中提供有利優勢及應用。奈米流體被認為是能夠滿足高科技電子設備和電器的冷卻需求和挑戰。最近發現另一種以離子液體(Ionanofluids, ILs)為基礎的新型奈米流體,研究結果發現,與原先基礎離子液體相比,此類奈米流體表現出更為優秀的熱性能。結合優勢和卓越利基,因應冷卻電子設備中先進熱傳流體需求,離子液體能夠提供高密度散熱巨大潛力。

台灣是全球電子工業重鎮,相關資訊產品包括手機、電腦、伺服器等,依據經濟部統計處107年7月公布資料,資訊電子產值占台灣總體工業產值28.7%,因此有關電子零組件的冷卻研發受到重視,尤其是奈米流體冷卻技術,例如工研院光電所的奈米電子實驗室、能環所的熱管電子冷卻及材料所的奈米材料開發,另外,在科技部108年度預算546億元中,創新基礎研究有247.79億元,占比高達45.4%,奈米流體的電子冷卻應用已列為重點研發項目。

奈米流體是一種新型熱傳流體,奈米顆粒參雜在傳統冷卻劑中形成懸浮液,因為具有優異的熱性能,奈米流體的適當使用可滿足現代和小型電子設備等冷卻需求,這種新型流體還可以在各種工業、電子及能源領域,提供巨大優勢和應用潛力,在具有高導熱性之下,如導熱性、對流性及沸騰性等傳熱係數,實驗結果證明奈米流體確實比傳統冷卻劑傳熱性能為佳。作為如晶片等高能量電子元件的新型冷卻劑,奈米流體與其基液相比,表現出明顯更高熱特性,因此奈米流體普遍認為是能夠滿足高科技電子設備和系統等高度冷卻需求的潛力冷卻劑。

依據電子冷卻的有效性、材料或技術分類,新興冷卻系統可分為下列幾種:1. 熱管;2. 熱泵;3. 微通道;4. 噴霧冷卻;5. 相變材料冷卻;6. 自然冷卻;7. 熱電冷卻。這些冷卻系統可分為被動和主動兩類。被動冷卻系統利用毛細作用、重力或浮力,使冷卻流體循環;主動系統利用泵或壓縮機驅動流體,獲取更高冷卻能力和性能改善。

如前所述,傳統冷卻方法(通常由外部空氣冷卻散熱器組成)不能充分冷卻具有高功率密度的現代電子設備和晶片,當前系統需要創新措施與技術,從而提高散熱率,最大限度降低工作溫度,並延長使用壽命。目前許多新興冷卻技術,如熱虹吸管,熱管,自然冷卻,電滲泵,微通道和微泵,噴流,熱電冷卻器和相變材料(PCM)冷卻等,顯然具有冷卻這些高科技電子產品的巨大潛力。因此,近年來,這些新興技術受到研究人員和電子工業的高度關注。

由於非常緊湊、重量輕及優異的冷卻性能,對微通道冷卻系統(如散熱器)在電子冷卻中應用,學界已進行廣泛研究。因為對流傳熱與通道水力直徑成反比,因此在任何流動狀態下使用微通道可以實現非常高的傳熱性能。然而,微通道冷卻性能的主要限制來自傳統冷卻流體的低熱傳能力。在這方面,奈米流體具有相當傳熱能力,可顯著提高微通道冷卻系統的除熱性能。事實上,這些新興技術很少使用在商用電子設備上面。尤其是,諸如微通道系統與微熱管之類的新興冷卻技術與這些新型冷卻劑一起使用時,可以顯著提高它們的散熱性能,同時滿足產生高熱量電子設備的冷卻需求。

儘管在過去幾十年已有顯著進展,但電子和半導體產業仍面臨著一些嚴峻技術挑戰,尤其是高性能電子產品和設備的熱管理。這主要與傳統冷卻方法和冷卻劑有關,在滿足高發熱電子器件和微處理器不斷增加的冷卻需求方面,傳統冷卻方法和冷卻劑顯然不足。然而,大多數電子設備和器具仍然採用這些傳統冷卻技術。因此,高性能電子產品(如晶片等)需要高熱傳性能的創新機構、技術和冷卻劑,來充分去除產生熱量,以獲得預期的性能和耐久性。研究顯示,熱管和微通道冷卻系統的強制對流是最有前途的電子冷卻技術

另一方面,作為此類電子冷卻技術的新型冷卻劑,奈米流體與其基液相比表現出明顯更高熱特性,如導熱性、對流性及沸騰性等傳熱係數。實驗結果證明奈米流體確實比傳統冷卻劑傳熱性能佳。此外,奈米流體應用的有限研究結果也證實,與傳統冷卻劑相比,這種新興流體冷卻電子設備的效果更好。然而,要將奈米流體應用在各種電子冷卻系統,評估其適用性和性能仍然非常重要。

諸如微通道系統之類的新興冷卻技術與這些新型流體一起使用,可以顯著提高它們的散熱性能,同時滿足產生高熱量電子設備的冷卻需求。因此,奈米流體微通道誠為下一代有前途的電子冷卻技術。然而,要在電子工業中實現和商業規模下應用,奈米流體微通道冷卻需要作更廣泛地研究。

責任編輯:朱穎

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2019-04-01 8:05 AM
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