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突破散熱瓶頸 IBM新型歧管冷卻法提升晶片散熱能力

上網時間: 2007年02月12日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:發熱功耗管理  空冷式  水冷  高熱傳導介面  噴射陣列冷卻器 

高速晶片產生的熱問題,正使熱管理在當今的高性能系統設計中扮演著越來越重要的角色。但目前的空冷式(Air-cooled)晶片每平方英吋的散熱能力僅有12W,已無法滿足目前需求。為此,IBM蘇黎世研究實驗室(Zurich Research Laboratory)最近表示,已發現了新的冷卻方法,據稱可提升2倍甚至5倍的散熱能力。

稍早前,在倫敦舉行的‘BroadGroup功率和冷卻高峰論壇’上,IBM實驗室展示了兩種用於未來晶片的高熱傳導歧管(manifold)。第一種歧管採用的是高熱傳導介面技術,散熱能力是採用空冷式晶片的兩倍,達每平方英吋24瓦;另一種是採用噴流陣列冷卻器(Jet Array Cooler)的水冷式歧管法,這種方法可使下一代晶片的熱功率管理能力達到每平方英吋60W,其散熱能力較今天的空冷式晶片提高了5倍。

“我們一直在尋找更有效率的晶片冷卻法,使設計師能夠最佳化晶片以實現高性能,但總是不可避免地要就功耗問題進行一些折衷,”IBM T.J. Watson研究中心電子與光學封裝資深經理Dave Seeger表示。“而採用新的歧管冷卻法,將能提升2倍以上的散熱能力。”

今天的空冷式晶片是透過將金屬散熱片用導熱膠貼在金屬晶片罩上的方式進行散熱。將散熱片直接黏在晶片上會產生很小的空氣間隙,其作用就像是雙層玻璃般的絕熱體。設計人員利用導熱膠填充這些間隙,但當他們試圖壓緊散熱片時卻遇到了一個難題:沒有空間放置導熱膠。

現在,IBM技術人員提供了一個放置導熱膠的空間,因而增強了熱傳導性,Seeger介紹道。

該方案是在金屬晶片罩上切開一個寬度與深度均為數百微米的凹槽,在晶片表面製作歧管,因而成倍地提高了晶片散熱能力。透過將散熱片的壓力減少為原先的一半,導熱膠的厚度可縮減到僅有10微米。

“採用高熱傳導介面,我們可以在較小的壓力下獲得更薄的導熱膠。”Seeger透露,“我們已經在一些地方放置了導熱膠,現在,我們僅需利用一半的壓力就可以獲得兩倍的導熱性能。”

在高峰論壇上,該理念的發明人-IBM蘇黎世研究實驗室先進熱封裝研究組負責人Bruno Michel指出,空冷式歧管僅僅是熱功率管理歧管分層架構中的第一步。該實驗室的下一步是繼續擴展該歧管分層架構,將以50,000個噴流取代原來的晶片罩底層(與晶片的接觸面),其中一半噴流用於噴水,一半用於吸水。

“多數公司僅將冷水注入晶片中間,然後讓熱水從邊上排出。目前我們是唯一不這樣做的公司。”Seeger介紹,“我們的作法是在注入冷水的同時直接排出熱水,這樣將具有更高的熱效率。”

液態冷卻法也將在晶片與散熱器間設置溝槽分層歧管,這種作法類似於現在的微處理器與RAM之間的快取記憶體階層。在液體層下,有數千個間距200微米、直徑30~50微米的噴流用來排除熱水;接下來是一個連接到層間過孔、間距為325微米的歧管,用於將水導入或是排出晶片。最頂層是間距為700微米的歧管。

“這個完全封閉的系統採用樹狀分層架構來散熱,能達到與自然界系統相同的效率,”Seeger說。

IBM預言,未來應用在伺服器和科學電腦中的超快速微處理器,都將需要這些精心設計的冷卻架構。


圖:分層歧管的橫截面視圖,藍色箭頭代表水流。

作者:羅克鈴




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