微流道散熱技術(shù)的案例
北大南昌院：極端條件下高性能均熱板與微流道散熱技術(shù)研究新突破
目前聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室正研制的微通道散熱器，如圖5所示，基底采用易與芯片集成的硅片與陶瓷材料，具備高效散熱、制備工藝簡(jiǎn)單、低流動(dòng)阻力、流量分配均勻及耐腐蝕等特點(diǎn)。所研制的微通道散熱器，針對(duì)高功率密度電子設(shè)備日益增長(zhǎng)的散熱需求，能有效解決芯片封裝時(shí)由于溫度差導(dǎo)致芯片脫焊、熱應(yīng)力集中等問(wèn)題，為電子設(shè)備和系統(tǒng)提供持久穩(wěn)定的散熱保障。
圖5 陶瓷微通道散熱器和硅基微通道散熱器
微流控芯片技術(shù)通過(guò)在微小尺度上精確控制流體流動(dòng)，為醫(yī)學(xué)、化學(xué)及生物學(xué)等領(lǐng)域的研究應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持，預(yù)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模(2024)達(dá)79.5億美元。目前聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的微流控制備微球技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多流道的集成與一體化成型，如圖6所示，流道結(jié)構(gòu)精細(xì)且獨(dú)特，最小流道寬度達(dá)到了驚人的30μm。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)微流控芯片批量化及定制化生產(chǎn)，能顯著降低微球制備的成本并提高微球的生產(chǎn)效率。
圖6 3D打印微流控
"第二屆熱管理材料技術(shù)博覽會(huì)”（iTherMEXPO2024）將于2024年11月6-8日在深圳國(guó)際會(huì)展中心7號(hào)館舉辦，將高效呈現(xiàn)熱管理產(chǎn)業(yè)鏈的一站式價(jià)值對(duì)接平臺(tái)，以滿足和促進(jìn)熱管理行業(yè)各單位交流、合作和共贏發(fā)展。創(chuàng)新型的材料、儀器、設(shè)備、設(shè)計(jì)與仿真、解決方案、應(yīng)用場(chǎng)景、專利技術(shù)等薈聚鏈接和呈現(xiàn)將是博覽會(huì)的重要組成部分；熱管理領(lǐng)域科學(xué)、材料、技術(shù)和工程等相關(guān)專題論壇、圓桌/閉門(mén)、專家問(wèn)診、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目展示、新品發(fā)布、需求對(duì)接等活動(dòng)也將精彩同期呈現(xiàn)，特別是科研單位創(chuàng)新性的技術(shù)和成果也將獲得從實(shí)驗(yàn)室對(duì)接轉(zhuǎn)移到市場(chǎng)的機(jī)會(huì)。
展開(kāi) 技術(shù)流 | DfAM底層通用技術(shù)之微通道散熱設(shè)計(jì)
微通道換熱器，指的是水力直徑在10-1000μm的換熱器。按外形尺寸可分為：微型微通道換熱器和大尺度微通道換熱器。該技術(shù)所采用的結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、質(zhì)量輕、運(yùn)行安全可靠，因此微通道換熱器技術(shù)近些年來(lái)越來(lái)越受到關(guān)注，在微電子、航空航天、醫(yī)療、化學(xué)生物工程、材料科學(xué)、高溫超導(dǎo)體的冷卻、薄膜沉積中的熱控制、強(qiáng)激光鏡的冷卻, 以及其他一些對(duì)換熱設(shè)備的尺寸和重量有特殊要求的場(chǎng)合中有重要的應(yīng)用前景。
與普通換熱器相比, 微型換熱器的主要特點(diǎn)在
于單位體積內(nèi)的換熱面積很大
。相應(yīng)地, 其單位體積傳熱系數(shù)
高達(dá)幾十到幾百M(fèi)W/( m 3 K)
, 比普通換熱器要
高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)
。
圖1 微通道換熱器的應(yīng)用
本文主要基于Ansys軟件對(duì)不同微通道換熱器的性能進(jìn)行了相應(yīng)的分析。
展開(kāi) AIGC加速推動(dòng)數(shù)據(jù)中心液冷市場(chǎng)的爆發(fā)
ChatGPT技術(shù)的出現(xiàn)推動(dòng)了計(jì)算機(jī)算力的飛速發(fā)展。
全球算力高速發(fā)展態(tài)勢(shì)， 2021年，全球計(jì)算設(shè)備算力總規(guī)模達(dá)到615EFlops，增速44%。2030年，有望增至56ZFlops， CAGR達(dá)到65%， 其中智能算力由232EFlops增至52.5ZFlops， CAGR超過(guò)80%；算力翻倍時(shí)間明顯縮短；計(jì)算大模型出現(xiàn)后，帶來(lái)了新的算力增長(zhǎng)趨勢(shì)，平均算力翻倍時(shí)間為9.9個(gè)月。
02
散熱需求升級(jí)
算力提升的背后是芯片必須具備更高計(jì)算效率，因而必然伴隨芯片能耗的加大，導(dǎo)致電子器件工作過(guò)程中的溫度升高。傳統(tǒng)芯片中，用于冷卻的體積占98%，只有2%用于計(jì)算運(yùn)行，但是依然很難解決現(xiàn)在存在的散熱問(wèn)題，隨著芯片性能的持續(xù)快速提升，散熱問(wèn)題將愈加突出。
（來(lái)源：《基于大功率密度熱源的芯片級(jí)微流道散熱技術(shù)研究》）
03
高效散熱手段
根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，液體的導(dǎo)熱性能是傳統(tǒng)風(fēng)冷效果的15-25倍，隨著ChatGPT的出現(xiàn)，算力表現(xiàn)出的爆發(fā)式提升，散熱面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。液冷有望代替風(fēng)冷從而可以實(shí)現(xiàn)更加高效的散熱效果。而在冷卻介質(zhì)的選擇上，也進(jìn)一步趨于選擇冷卻效率更好的冷卻介質(zhì)。
（來(lái)源：騰訊、浙商證券研究所）
04
政策導(dǎo)向
在國(guó)家“雙碳”政策的背景下，數(shù)據(jù)中心的PUE指標(biāo)不斷降低。算力的持續(xù)增加，意味著硬件部分的能耗也在持續(xù)提升；在保證算力運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，只有通過(guò)降低數(shù)據(jù)中心輔助能源的消耗，才能達(dá)成節(jié)能目標(biāo)下的 PUE 要求。
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