微电子器件的冷却

　　在过去的三十年中，随着电子计算机的容量和速度的快速发展;导弹、卫星和军用雷达对高性能功能模块以及高可靠大功率器件的迫切要求，集成电路的总功率和速度、大功率分立器件取得了飞速的发展。例如，自年以来器件的集成度几乎每年以4〇—50%高速度递集成度这样异乎寻常的神速发展为微电子器件的设计、运行和进一步发展提出了一个崭新的问题，它主要体现在以下三个方面：虽然每个元件的功率很微小，但由于集成度已高达105—元件/毎个芯片，致使芯片或模块单位面积的耗散功率很大，即热流密度很大。而热流密度愈大，要把这些热量带走就愈困难，否则，器件就将失效。下面是不同类型芯片的热流密度随年代增长的趋势：I960年小规模集成电路热流密度1〇4瓦/米21985年大规模集成电路热流密度1〇5瓦/米21987年超大规模集成电路热流密度5X105瓦/米2为了对这样高的热流密度有一个具体的概念，下面列举一些其它典型实例以便于比较可见芯片的热流密度已与高速飞行器返回大气层时气动加热引起的高热流密度相当。

　　2•传热温差小

　　任何物体中热量的散出，或者说物体能否得到有效的冷却，不仅取决于该物体表面的热流密度，而且与物体表面和环境(或冷却剂的温差有关。温差愈小，对该物体的冷却就愈困难。而微电子器件的冷却技术的难点就在于不仅热流密度高，而且传热温差小。因为芯片的容许工作温度相当低，一般仅为95°C左右。如果在空气中冷却，其传热温差仅为80

　　3.对微电手器件的远最要求更趋苛刻

　　超高速、巨型计算机的发展、高技术和军事技术要求电子仪器的超小型化，都对微电子器件的散热提出了更苛刻的要求，例如人工智能技术中要求芯片上具有1〇9个元件，根据这些要求，国际上已制定了微电子器件发展的近期和远期规划这样高的热流密度使传统的传热、冷却技术很难适用。微电子器件的可靠性对温度十分敏感，每増加2尤，其可靠性将下降10%。60年代，飞行器返回大气层高速气动加热形成的高热流密度，使飞行器表面冷却成为难题，称之为“热障”。而当今微电子器件的冷却问题，由于其热流密度更髙，而传热温差很小，是一个具有挑战性的传热问题,所以说，微电子器件的冷却-问题形成了80年代的‘‘热障”。

　　二、微电子器件冷却研究的国际动态

　　早在70年代初和80年代末，微电子器件芯片的热流密度已达5X104瓦/米2,它的散热已引起了人们的注意。而随着微电子器件的集成度和功率的飞速发展，热流密度达到1〜5X105瓦/米2时,它就对传统的散热技术形成了挑战。目前的状况是：微电子器件的热设计(热技术)远远落后于电设计(电技术)，因此，传热技术面临着新的突破，从而形成了当前国际传热界的热点，它表现在以下几个方面：

　　1.学术会议频繁

　　早在1983年11月在美国波士顿召开的ASME的冬季年会上，新开设了一个“微电子会场。近年来，微电子器件冷却的学术会议，无论其规模、数量以及涉及的领域出现了迅猛的发展，形成了国际学术会议的高潮：

　　传热”的分会场。实际参加会议的人数要比预期的多一倍。其后，每年都举办微电子传热的分：

　　*1986年6月，在美国Andover由美国国家科学基金会支持和组织、普陀大学主持召1开“电子冷却研究的必要性”的会议。国家科学基金会直接支持的学术会议当然都是前沿学科的领域，会议规模并不大，但到会者都是学术界和工业界的权威人士，共同探讨了发展前景，制_订了研究规划。同时也促进了学术界和工业界的密切结合;

　　*1986年8月，在美国旧金山召开了国际传热大会，这是代表国际传热水平和发展的学术会议。会上共有28篇反映当前传热学科发展方向的大会主旨报告，其中就有两篇是电子器件的冷却方面的专题;

　　*1986年12月，在美国阿纳海姆召开的ASME的冬季年会上最突出的主题为“电子包装一一多学科的问题”，其中强调了热设计的重要性;

　　*1987年3月，在美国火奴鲁鲁召开了第一次电子器件冷却技术的国际会议。太平洋热工研究所还决定，今后每两年召开一次电子器件冷却研究的国际学术会议;

　　*1987年8月，在美国匹兹堡召开的美国第24届传热大会上设有两个分会场：(1)微电子设备传热(2)接触热阻研究的新发展;

　　*1987年12月，在美国波士顿召开的ASME冬季年会上设有两个分会场(1)微电子器件中热和流动问题(2)微电子设备中的温度和流动测量;

　　*预定在1988年召开的学术会议有:在美国圣迭戈由美国电气与电子工程师协会主办的半导体热学会议和在洛斯安赫莱斯召开的电子元件中热现象会议;在南斯拉夫的Dublovnik,由国际传热中心主持召开的“电子与微电子设备传热”的国际会议;在我国台湾新竹，由新竹清华大学筹办的太平洋地区“微电子传热会议”等。

　　学术会议如此之频繁，课题如此地集中，正说明了这是生产发展的推动和学科发展的需要。

　　2.工程界的重视

　　7〇年代末，美国IBM公司的计算机发展到了3081系列，其热流密度已相当高，常规的散热办法和热设计很难带走额定的耗散功率。R.C_Chu(朱兆风)先生主动承包了IBM3081计算模块的热设计任务。几年后取得了突破性进展，发明了TCM热包装技术，使IBM3081—3090系列取得了巨大成功，为此1983年IBM公司授于Chu为IBMFellow的称号。IBMFellow是IBM公司中的最高技术荣誉(IBM公司工作人员40万，具有IBMFellow称号的仅55人——1986年统计数字)。鉴于Chu的微电子传热学方面的成就和发明，1986年获ASME传热学纪念奖，并于同年被选为美国工程科学院院士。自此以后，电子工业界十分重视电子器件冷却技术的研究，例如IBM公司的传热研究部研究人员约100人，同时又多方资助大学研究。如Purdue大学，伯克利加州大学、纽约市立大学等都曾得到IBM公司的经费资助，以研究微电子器件的冷却。

　　工程界人士还十分重视有关的学术会议，经常派出不少人参加。以1987年3月在美国火奴鲁鲁召开的第一次际际电子设备冷却技术会议为例，会议代表中就有来自：美国的IBM公司，CDC公司，3M公司，TexasInstruments公司，DigitalEquipment公司和AT&TBell实验室等;日本的Hitachi公司，Toshiba公司和NEC公司，西德的Siemens公司和英国全球热动力公司等。

　　3.讲习班大受欢迎

　　在学术会议期间，通常要举办一些有关专题的讲习班。自1983年以来，“电子器件冷却技术”讲习班很受欢迎。尽管收费高达300—500美元的讲习班为期仅1一2天，但参加的人员仍相当踊跃。他们都是工业界的人士和准备到工业界去工作的学生。这充分说明了微电子冷却技术的研究是电子工业发展的迫切需要。

　　4.著名学者、专家的云集

　　高水平的学者、专家对于新学科的生长、学科的前沿动向是十分敏感的。当前，国际传热界中相当多的著名学者和专家正在从事和积极推动“微电子传热”研究，他们有：美国：Rosennow(MIT)，(Berkeley)，Moffat(Starford)，Sparrow(esota),(IBM)Bergles(RPI),(igan)Incropera(ue),(eDam)曰本：Mori(tro-Communicafions)Aihara(TohokuUni.)Nakayama(Hitachi公司)加拿大：Yovanovich(r100)等

　　5•美国国家科学基金会的支持

　　近两年以来，美国国家科学基金会对“微电子冷却”研究采取了多种途径的支持(1)组织中小规模的研讨会，分析和讨论社会的需求和学科的发展趋向，在此基础上提出了“微电子冷却”研究的方向和目标;与此同时也起到了分工合作的组织目的。(2)组织学术界和工业界的联合研讨会。使学术界了解工业的需要,使工业界了解学术界的研究工作;帮助工业界从学术界得到技术转让，帮助学术界从工业界得到研究项目的资助。(3)直接资助“微电子冷却”研究项目。以1986年为例，基金会资助了6个项目。目前美国8所大学正在联合申请经费相当高的“微电子器件冷却研究”大项目的资助。

　　三、对传热学科发展的推动

　　面对这样高的热流密度，温差很小，又要解决长期运行的可靠性问题，所以微电子器件的散热冷却技术面临着新的突破，它的主要特点(即难点)可归纳为：

　　(1)热流密度高。温差小,需要十分有效的冷却方式和技术;

　　(2)特征尺寸小。微电子器件的特征尺寸，某些实验表明，通常的传热关系式已不再适用;

　　(3)多种特征尺寸。微电子器件的线宽是微米量级，芯片是毫米量级，插件扳是几十厘米量级。由于特征尺寸量级上的差别很大，很难应用无因次分析、整理实验数据;

　　(4)多学科性。微电子器件的热设计包括了传热、力学、材料科学、半导体物理多学科的综合问题。

　　所有这些特点,促进了传热领域中传统技术、方法甚至理论上的革新，例如：

　　1)空气冷却技术。传统上认为由于空气的换热系数很小。所以空气冷却技术的应用是极为有限的。而实际表明，在微电子器件中由于采用了特殊的结构和各种换热强化措施，空气冷却的能力可以提高一个量级。当前，人们在讨论空气冷却能力有没有极限和极限应该是多少等问题。

　　(2)单相液冷技术。在微电子器件中的液冷技术总是与“冷板”技术相联系，实际上它是一种特殊的导热一对流的耦合问题。微通道传热规律和介电液体冷却介质的传热关系式均是这方面具有特色的研究课题。

　　(3)两相液冷技术。微细尺寸、光滑表面的器件在液体冷却剂中很难形成核沸腾,从而过热度很大并引起相当大的温度波动和可观的热应力。所以微电子器件的沸腾换热有其特殊规律。此外，热虹吸管和热管的应用也受到了相当的重视。

　　(4)内部热阻的减少。微电子器件的热设计中必须引进“分布热阻”的概念，以便设计最佳的散热通路。器件中各种材料间的接触热阻是一个极为重要的问题，一方面它占总热阻的25%左右，决不能被忽略，另一方面，接触热阻的测量、理论分析，以及如何减小接触热阻的办法都是十分困难的。

　　四、我国的情况

　　我国微电子器件的热设计、工艺和冷却技术研究的状况可分为三个层次。

　　1•分立器件如大功率半导体功率管。我国在仿制国外同类型功率管的基础上早已能成批生产，并应用于歼7、歼8-II和1416-11雷达等方面。但是它们的热性能远低于国外的同类产品。例如，国产的3DA36微波大功率管的耗散功率只有57瓦，而MOTOROLA公司生产的同类MRF309的管子耗散功率可高达146瓦。这直接涉及到这些器件在高技术和军事技术应用中的可靠性问题。对于国产微电子器件的热性能，我国已建立了自己的国标，但是对于大于50瓦的功率管，其热阻测试却无法进行。其原因就是未能找到有效的冷却办法带走高的耗散功率，从而不能得到稳定和正确的热阻值。

　　关于分立器件的散热问题，在过去只有很少工厂和学校进行研究，而且很不系统。随着器件的功率和可靠性要求的日益提高，人们已认识到散热问题研究的重要性，正有愈来愈多的单位从事这方面的工作。

　　2.功能模块各种功能模块应用于需要体积小、装配紧凑，以及高可靠的电子仪器和设备中。过去大功率的功能模块主要依靠进口。现在，我国‘‘七五”规划中已确定了自制大功率功能模块的攻关任务。其中散热冷却技术是一个很突出的问题，所以热设计问题已提到日程上》而且必须解决。

　　3.超大规模集成电路主要用于巨型计算机中。目前我国的大型和巨型计算机主要依靠进口，暂时还不具备自制能力，由于没有这方面研究的强烈要求，超大规模集成电路的冷却研究几乎是空白。

　　根据我国的具体情况，对于“微电子器件冷却”的研究有如下几点粗浅的看法：

　　(1)加强微电子冷却的应用技术和基础研究，是各种微电子设备从进口转为自制必须具备的条件。

　　(2)主要力量应放在分立器件和功能模块的冷却技术的研究，因它能促进电子工业的当前和近期的发展。同时也应适当进行超大规模集成电路(或立体电路)散热的研究。因为大型和巨型计算机总不能永远靠引进。

　　(3)国家科学基金委员会应组织学术界和工业界人士的联合研讨会，共同讨论和分析我国微电子冷却研究的当前需要和长远目标，同时还可促进学校和工厂的合作，包括学校向工厂的技术转让，工厂向学校资助研究经费等。