具備高熱流密度應(yīng)該怎樣理解？什么東西具備高熱流密度呢？

我這里簡(jiǎn)單舉幾個(gè)例子，比如相控陣?yán)走_(dá)，它是在我國(guó)軍艦上的一款最新研發(fā)的雷達(dá)。使用這個(gè)雷達(dá)一般不超過(guò)一個(gè)小時(shí)，那它具備高熱流密度，是因?yàn)楹碾娏看髥幔坎皇堑?，其?shí)是因?yàn)樗陌l(fā)熱特別嚴(yán)重，高溫對(duì)于電子器件的影響又是永久性的。其中一個(gè)是熱失效，還有一個(gè)就是應(yīng)力損壞。

所謂的熱失效，就是因?yàn)槠骷?nèi)部的一些材料，它的熔點(diǎn)都是不同的，當(dāng)你的溫度高達(dá)到某一個(gè)臨界點(diǎn)的時(shí)候，部分材料就會(huì)發(fā)生融化，那這個(gè)器件的話就永久性的失效了。然后應(yīng)力損壞呢，是因?yàn)檫@個(gè)電力電子器件里面的每一個(gè)材料，熱膨脹系數(shù)都不同。當(dāng)你溫度升高，有些材料會(huì)發(fā)生彎曲或者拉伸之類(lèi)的形變，在這樣的相互拉扯之下，材料中間那些焊點(diǎn)或者線路都會(huì)遭到一定程度的損壞。這就是我們做溫控的一個(gè)目的。

高溫對(duì)電力電子器件的影響？

1.熱失效：溫度過(guò)高導(dǎo)致器件內(nèi)熱擊穿，甚至部分材料熱熔化；

2.應(yīng)力損壞：器件中各組分熱膨脹系數(shù)差異大。

圖：溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致器件基板斷裂

再舉一個(gè)CPU的例子，這也是一個(gè)典型的高熱流密度的應(yīng)用場(chǎng)景，現(xiàn)在最高呢一般是可以達(dá)到100W/cm2的一個(gè)熱流密度。這個(gè)參數(shù)和熱導(dǎo)率不同，熱導(dǎo)率是我們用來(lái)形容器件的傳熱速度，也代表我們相變器件里面的一個(gè)氣液循環(huán)的速度。而如果別人問(wèn)我們“這個(gè)能解多少瓦的功率？”，則是在問(wèn)這個(gè)東西能解多少的熱量密度，這是不同的。

還有一點(diǎn)就是功率，為什么我們說(shuō)器件的傳熱功率是有極限的呢？如果熱端的表面蒸發(fā)速度過(guò)快的話，液態(tài)水就無(wú)法及時(shí)回流到蒸發(fā)端再進(jìn)行二次蒸發(fā)，那么蒸發(fā)端就會(huì)出現(xiàn)燒干的現(xiàn)象。這個(gè)時(shí)候我們的器件就會(huì)發(fā)生失效，甚至比銅還更差，換句話說(shuō)就是達(dá)到了臨界熱流密度極限。因此，我們研發(fā)做的事情就是想辦法提高器件的吸液能力，讓它能夠發(fā)生更多的相變，帶走更多的熱。

針對(duì)高熱流密度的散熱方法有哪些？

以上我們簡(jiǎn)單了解了一下高熱流密度，目前我們定義呢，超過(guò)50W/cm2就是高熱流密度了，而現(xiàn)在主流的芯片一般也能達(dá)到這個(gè)數(shù)值。接下來(lái)我們?cè)僬f(shuō)一下，目前針對(duì)高熱流密度散熱有哪些方法？

這里我拿了華為的麒麟990芯片做一個(gè)示例，它這個(gè)芯片的面積是1.13cm2，總共有八核處理器，單核的功率是1.56。所以折合算下來(lái)，如果八核全部功率拉滿，也就相當(dāng)于開(kāi)幾十個(gè)王者榮耀吧，總功耗是達(dá)到了11W/cm2，也是它的峰值熱流密度。

第一個(gè)散熱方式就是風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，比如可以看到我們的筆記本電腦后面是排布了很多熱管的，兩邊是兩個(gè)風(fēng)扇，里面的CPU和GPU是發(fā)熱最嚴(yán)重的兩個(gè)部分。一般電子元器件采取風(fēng)冷散熱的話，能解的熱流密度是15W/cm2。

針對(duì)現(xiàn)代的這種芯片，我們基本上是已經(jīng)淘汰了風(fēng)冷的方式。現(xiàn)在學(xué)術(shù)界研發(fā)出來(lái)了很多第三代、第四代的針對(duì)高熱流密度的冷卻方法啊，像我接下來(lái)要說(shuō)的第二個(gè)散熱方式——液體噴霧冷卻。它是將冷卻液直接噴淋在這個(gè)發(fā)熱體上，能解的熱流密度是1,200W/cm2?？吹较聢D，它是有三代發(fā)展的，逐漸進(jìn)行優(yōu)化。

第一代的水冷板離發(fā)熱芯片是有好幾層的，熱阻很大；到第二代散熱技術(shù)之后，熱沉換成了金剛石銅，測(cè)試過(guò)后能解的熱流密度是200W/cm2左右；第三代則是在芯片底部嵌入了一個(gè)微通道，相當(dāng)于是把芯片直接和水冷板相復(fù)合到了一起，利用微米級(jí)的3D打印技術(shù)，制造出中間一個(gè)一個(gè)微小的流道。芯片微通道復(fù)合式的這種散熱結(jié)構(gòu)，熱流密度是可以解到1,723W/cm2，這個(gè)數(shù)字還是非常震撼的。

但是問(wèn)題來(lái)了，它用常規(guī)的機(jī)加工是制造不出來(lái)的，需要3D打印光刻技術(shù)，而全世界范圍內(nèi)先進(jìn)的光刻機(jī)都沒(méi)有幾臺(tái)。前面這些很多都只停留在學(xué)術(shù)界的研究上，非常難以落實(shí)應(yīng)用。

高熱流密度散熱相變封裝基板

現(xiàn)在來(lái)看一下我們這個(gè)高熱流密度散熱相變封裝基板，看似很簡(jiǎn)單，但能夠解500W/cm2的熱流密度。這個(gè)可以看我們前段時(shí)間上新華社、人民日?qǐng)?bào)的那篇文章，講的就是這個(gè)技術(shù)。

今天我用通俗的話，結(jié)合前面的介紹來(lái)講。我們的優(yōu)勢(shì)有四點(diǎn)：一是成本低，這塊VC夾在發(fā)熱體和液冷板之間，成本三位數(shù)能夠搞定。對(duì)比上面我們說(shuō)的金剛石銅，在相同體積的情況下它可能需要3,800到4,000塊錢(qián)，可以說(shuō)是非常貴了，微通道散熱用到的3D打印光刻成本就更加離譜。所以，成本是我們的第一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

二是可量產(chǎn)，我們VC和液冷板、發(fā)熱體都是不同的東西，我們只需要提供高性能的VC，加在產(chǎn)品現(xiàn)有的散熱結(jié)構(gòu)上即可，不管是傳熱還是解高熱流密度，都會(huì)產(chǎn)生積極的質(zhì)變影響。

三是安裝便捷，四則是可靠性高。我們VC封裝在一個(gè)真空的環(huán)境里，里面的液體不會(huì)對(duì)芯片或者液冷板產(chǎn)生腐蝕等影響。像浸沒(méi)式液冷把芯片放在冷卻液里，還是讓人不那么放心的，而且冷卻液還得定期更換和維護(hù)，需要把冷卻液放出來(lái)，把里面沖洗干凈，再換一批新的冷卻液進(jìn)去，非常麻煩。再比如嵌入式微通道，里面也是有流體經(jīng)過(guò)這些微米級(jí)通道的，難免會(huì)有一些雜質(zhì)的沉積或者腐蝕，后期成本相應(yīng)來(lái)說(shuō)會(huì)更高。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，我們針對(duì)高熱流密度場(chǎng)景所作出的解決方案，在技術(shù)上已達(dá)到世界一流水平，不僅在散熱性能上遠(yuǎn)超金剛石類(lèi)基板，還大大降低了生產(chǎn)成本，未來(lái)可全面取代金剛石類(lèi)散熱產(chǎn)品，有效解決散熱的卡脖子難題哦。

經(jīng)國(guó)家相關(guān)權(quán)威部門(mén)測(cè)試，在同等測(cè)試條件下，該公司研發(fā)的相變封裝基板能夠有效解決515.08W/cm2的熱源散熱，而傳統(tǒng)純水冷板、金剛石鋁與金剛石銅的散熱效率僅為81.35W/cm2、161.16W/cm2和234.24W/cm2，分別提升533.16%、119.89%和219.61%。并且，基板在230℃高溫下變形量小于5um，有效解決封裝基板與芯片間的焊接難題

審核編輯 黃宇