微电子器件的冷却

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1、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

2、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

3、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803.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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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