1.簡(jiǎn)介

半導(dǎo)體和其他小型和微型電子技術(shù)的最新發(fā)展以及持續(xù)的小型化導(dǎo)致了高性能芯片的功率密度的非常高的提高。盡管在過(guò)去的幾十年里取得了令人印象深刻的進(jìn)展，但在電子設(shè)備或微處理器的熱管理和控制方面仍然存在嚴(yán)重的技術(shù)挑戰(zhàn)。兩個(gè)主要挑戰(zhàn)是：充分去除不斷增加的熱通量和高度不均勻的功耗。根據(jù)國(guó)際電子制造倡議（iNEMI）技術(shù)路線圖[1]的一份報(bào)告，2020年，高性能微處理器芯片的最大預(yù)計(jì)功耗將達(dá)到約360 W。事實(shí)上，微電子和電力電子行業(yè)正面臨著去除約300 W/cm2的極高熱通量，同時(shí)將溫度保持在85°C以下的挑戰(zhàn)[2]。此外，由于器件集成度的提高，芯片或器件上的功率耗散變得高度不均勻，因?yàn)榉逯敌酒瑹嵬靠赡苁侵車(chē)鷧^(qū)域的數(shù)倍。傳統(tǒng)的冷卻方法越來(lái)越難以應(yīng)對(duì)新興電子設(shè)備的高冷卻需求和熱管理挑戰(zhàn)。因此，高性能芯片或器件需要具有高傳熱能力的創(chuàng)新技術(shù)、機(jī)制和冷卻劑來(lái)提高排熱率，以保持其正常工作溫度。除非它們得到適當(dāng)?shù)睦鋮s，否則它們的正常性能和長(zhǎng)期性能可能會(huì)比預(yù)期的更快地退化。此外，電子設(shè)備的故障率隨著工作溫度的升高而增加。對(duì)傳統(tǒng)和新興冷卻技術(shù)的研究和進(jìn)展的回顧和分析表明，基于微通道的強(qiáng)制對(duì)流和相變冷卻（液體）是最有前途的技術(shù)之一，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的排熱率。

另一方面，由于傳統(tǒng)冷卻劑（如空氣、油、水和水/乙二醇/甲醇混合物）的傳熱能力的限制，大多數(shù)冷卻技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)所需的性能，這些冷卻劑固有地具有較差的傳熱特性，特別是導(dǎo)熱性和對(duì)流傳熱系數(shù)（HTC）。例如，為了在50 K的溫差下適應(yīng)100 W/cm2的熱通量，它需要2000 W/m2K的有效HTC（包括可能的面積放大因子），而這通常是通過(guò)這些冷卻劑的自由和強(qiáng)制對(duì)流而不可能實(shí)現(xiàn)的[7]。因此，總是迫切需要找到具有優(yōu)異傳熱性能的冷卻流體。因此，最近出現(xiàn)了幾種流體，它們有可能被用作高級(jí)冷卻劑。其中一種流體是納米流體，這是一類(lèi)新的傳熱流體，是納米顆粒在傳統(tǒng)傳熱流體（如水（W）、乙二醇（EG）、油和W/EG）中的懸浮液。與基本傳統(tǒng)流體相比，納米流體具有高得多的熱性能，特別是導(dǎo)熱性、對(duì)流性和沸騰傳熱[8-12]。由于具有非常理想的增強(qiáng)熱性能，這類(lèi)新型流體可以在廣泛的應(yīng)用中提供巨大的好處和潛力，包括電子和其他高科技行業(yè)的冷卻[12-14]。最近，我們小組提出了另一類(lèi)新的流體，稱(chēng)為“離子流體”[15-16]。離子液體是納米顆粒的懸浮液，而不僅僅是離子液體，與基礎(chǔ)離子液體相比，離子液體也具有優(yōu)越的熱性能[15-17]。離子流體除了具有綠色流體和可設(shè)計(jì)用于特定任務(wù)等獨(dú)特特征外，在冷卻電子中作為先進(jìn)的傳熱流體顯示出巨大的潛力。本章首先概述了電子設(shè)備的各種冷卻方法和傳統(tǒng)冷卻劑。然后，總結(jié)了新型冷卻劑的傳熱特性和性能，以及它們?cè)陔娮永鋮s中的潛力。

2.冷卻方式

盡管近年來(lái)在電子冷卻系統(tǒng)方面取得了令人印象深刻的進(jìn)展，但高科技電子設(shè)備所需的高熱通量去除仍然不足，極具挑戰(zhàn)性。有許多冷卻方法廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)中。根據(jù)傳熱效率，現(xiàn)有的冷卻模式可分為四大類(lèi)，即：??自然對(duì)流，??強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻，??強(qiáng)制對(duì)流液體冷卻，??液體蒸發(fā)。根據(jù)這些方法的熱通量去除率的大致范圍，已知液體蒸發(fā)是最好的技術(shù)，其次是液體的強(qiáng)制對(duì)流，然后是電子冷卻空氣。然而，在計(jì)算設(shè)備的CPU等冷卻電子設(shè)備中廣泛使用的強(qiáng)制空氣對(duì)流具有非常低的散熱率（盡管高于輻射和自然對(duì)流）。眾所周知，除了散熱方式外，冷卻液對(duì)整體冷卻性能也起著重要作用。

高性能電子設(shè)備和芯片需要?jiǎng)?chuàng)新的技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)提高散熱率，從而最大限度地降低其工作溫度并延長(zhǎng)使用壽命。傳統(tǒng)的冷卻方法，通常由風(fēng)冷散熱器組成，在滿足具有高功率密度的現(xiàn)代電子設(shè)備的冷卻需求方面越來(lái)越不足。因此，近年來(lái)，用于冷卻這種電子器件的各種技術(shù)已被廣泛研究并應(yīng)用于各種熱管理系統(tǒng)中。其中包括熱虹吸管[19]、熱管[20]、電滲泵[21]、微通道[4，5]、沖擊射流[22]、熱電冷卻器[23]和吸收式制冷系統(tǒng)[24]。這些冷卻技術(shù)可分為被動(dòng)系統(tǒng)和主動(dòng)系統(tǒng)。被動(dòng)冷卻系統(tǒng)利用毛細(xì)管或重力浮力使工作流體循環(huán)，而主動(dòng)冷卻系統(tǒng)由泵或壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，以提高過(guò)冷能力和性能。作為一種被動(dòng)冷卻，給定相變材料的高潛熱、高比熱和可控溫度穩(wěn)定性，基于相變材料的散熱器是一種相對(duì)較新的技術(shù)，可用于瞬態(tài)電子冷卻應(yīng)用。

微型冷卻系統(tǒng)可以充分冷卻那些高發(fā)熱的電子設(shè)備或電器。例如，與傳統(tǒng)換熱器相比，基于微通道的散熱器和微熱管的傳熱性能要高得多?；谖⑼ǖ赖睦鋮s系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、適用于小型電子設(shè)備以及優(yōu)越的冷卻性能而受到研究人員和工業(yè)界的極大關(guān)注。微通道散熱器強(qiáng)制對(duì)流液體冷卻是一種很有前途的、高性能的小型高發(fā)熱電子器件冷卻技術(shù)。除了顯著減小封裝尺寸外，這種新興的冷卻技術(shù)還適用于芯片上集成[4，5]。基于熱管的電子冷卻非常流行，最近受到研究人員和工業(yè)界的極大關(guān)注，并且已經(jīng)應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。因此，有幾章專(zhuān)門(mén)討論了這個(gè)主題，這里不再進(jìn)一步討論。另一方面，直接液體浸沒(méi)冷卻提供了非常高的HTC，這降低了芯片表面的溫度上升。圖1比較了各種常用冷卻劑和冷卻模式的HTCs的相對(duì)大?。ń浦担?。HTC的相對(duì)大小直接受到冷卻劑和傳熱模式的影響（圖1）。去離子水是最有效的冷卻劑，沸騰和冷凝提供了最高的HTCs。

無(wú)論使用何種方法來(lái)冷卻設(shè)備或芯片，將熱量轉(zhuǎn)移到有相變或無(wú)相變的流體中，都有必要將熱量散發(fā)到環(huán)境中。這主要是通過(guò)空氣的強(qiáng)制對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這是不夠的，尤其是對(duì)于高溫來(lái)說(shuō)。移除情況。因此，有效地從冷卻劑中帶走熱量也是非常重要的。

3.冷卻液

3.1。常規(guī)冷卻劑

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