来源：节能基础科学
作者：周宗和、宋杨、杨小虎、柯志武
摘要 ：随着高端芯片不断向微型化、集成化发展，其“热障”问题日益突显，已经成为阻碍芯片向更高性能发展的重要挑战，发展新型的高性能冷却技术迫在眉睫。基于液态金属的对流冷却技术、液态金属热界面材料以及基于低熔点金属相变材料的相变温控技术等，均在冷却能力上实现了较传统冷却技术量级上的提升，给大量面临“热障”难题的器件和装备的冷却带来了全新的解决方案。以千瓦级超级芯片为例，探讨液态金属对于突破其“热障”难题起到的关键作用，并试图推动液态金属先进冷却技术在未来超级芯片冷却领域的发展和应用。
作为一项高科技核心技术，芯片设计与制造是信息技术领域“皇冠上的明珠”，其难点主要体现在微纳加工技术上。“制程”是衡量芯片制造技术的一个重要指标，减小制程有利于缩小晶体管体积和功耗，提高单个芯片晶体管数量，提升计算效率。目前，市场上主流的高端芯片已经采用16 nm，14 nm甚至10 nm技术。早在2015年，美国IBM公司便已经推出了7 nm制程的原型芯片 ；2017年，IBM宣布已经突破了5 nm制程的芯片制造技术，这使得一个指甲盖大小的单个芯片上的晶体管数量可以高达300亿个，其计算性能将得到大幅提升。
对小制程的追求源于芯片高度集成化和轻量化发展的趋势。早在20世纪60年代，英特尔创始人之一戈登·摩尔就预言 ：“半导体芯片上集成的总晶体管数量每18个月将增加一倍”，后被称为“摩尔定律”。然而，近年来，“摩尔定律”的发展遇到了瓶颈。一方面，大规模的晶体管集成对制程提出了更高的要求，已经濒临其技术极限。另一方面，芯片的高度集成化导致其发热问题日益严峻。在芯片的工作过程中，几乎一半的功率会转化为热量，如果不能将这些热量及时散出，将导致芯片的温度持续升高。当芯片温度高于一定限值之后，将影响其工作效率、性能、稳定性，严重时，甚至会引发安全事故。为保证芯片安全高效的工作，一般应将其温度控制在85 ℃以下。
2004年，国际电子制造计划相关技术路线图提出预测，到2020年左右，高性能芯片的运行功率或可达到360 W，相应地，其发热热流密度将高达190 W/cm2，这已经接近于核反应堆一回路的热流密度。事实表明，高端芯片产业的发展已经超出技术路线图的预测，部分高性能芯片工作时的发热热流密度已达到300 W/cm2。2012年和2016年，《自然》杂志两篇文章相继指出，芯片“热障”难题已成为阻碍其进一步发展的关键挑战，急需开发相应的高性能冷却技术。
冷却技术随着冷却需求的提升而不断发展。传统的空气自然对流冷却和空气强制对流冷却散热能力较差，仅适用于热流密度10 W/cm2以下的情形 ；热管冷却是目前笔记本电脑散热的主流技术，一般可以应对热流密度在10~100 W/m2范围内冷却需求 ；对于更高热流密度的芯片冷却，目前研究的热点是液冷技术，特别是以水为工质的液冷技术。尽管水冷技术的冷却能力已经较传统技术有很大的提升，但由于水的热导率较低（室温下为0.6 W/（m·K）），限制了其对流换热能力，因此研究者们提出了一系列强化传热措施，包括纳米流体、微小通道等等。微小流道水冷技术可以应对比如100~1 000 W/m2量级的极端冷却需求，但是由于其存在流动阻力大、流道容易堵塞等问题，目前还难以应用。因此，研究者们一直致力于寻找更加高效的冷却工质和冷却方法。室温液态金属冷却技术正是在这样的背景下孕育而出，其固有的高热导率赋予了其优异的传热能力，因此一经提出就备受国内外学者和产业界的广泛关注。经过十几年的发展，液态金属冷却技术不断完善和延伸，形成了其特有的技术体系，并且还在持续的快速发展当中。
基于液态金属的高性能冷却技术主要可以分为三大类：（1）液态金属对流冷却；（2）液态金属热界面材料；（3）液态金属相变热缓冲。在此前的研究中，关于这些先进冷却技术已经有了大量的报道，并从理论分析、数值仿真和实验测试等多方面证实了其相比于传统冷却方式的优势。文中将以千瓦级超级芯片的冷却问题为例，来说明液态金属冷却技术在打破传统工质冷却极限，解决芯片“热障”难题中发挥的决定性作用。在下文的案例分析中，将直接面向工作功率1000 W，发热功率500 W（热流密度500 W/cm2）的超级芯片展开讨论，并分别探讨液态金属微通道冷却、液态技术热界面材料以及液态金属相变热缓冲技术在其中起到的关键作用。
液态金属是一大类室温或更高一些温度附近呈液态的金属材料。液态金属具有导热率高，导电性强，流动性好，易于实现固液相转换等诸多优势，在热控与能源、先进增材制造、生物医学以及柔性智能机器等多个领域带来了一系列颠覆性变革，是近年来学术界和产业界关注的热点。
2002年，中国科学院理化技术研究所刘静原创性地提出将室温液态金属引入到高性能计算机芯片冷却当中。这里所说的液态金属，不同于传统的汞及碱金属材料，主要是指镓及其合金（如镓铟合金，镓铟锡合金等）以及铋基合金（如铋铟锡合金），是一类安全无毒的低熔点金属材料，熔点在室温附近。将室温液态金属引入民用电子器件冷却是一种观念上的巨大突破，改变了人们对于传统液态金属材料的认识，并由此开启了液态金属在消费电子高端芯片冷却领域的大门。该技术已经提出，并迅速引起了国内外学者的广泛关注，美国国家宇航局将其列为未来十大前沿研究方向之一，美国阿贡国家实验室以及欧洲原子能实验室也开展了相关原型机研制工作，美国Nanocooler公司和Aqwest LLC公司斥资数千万美元用于高性能液态金属芯片冷却技术的开发。越来越多的观点认为，液态金属开启了芯片冷却技术的全新时代。
2 液态金属微流道冷却
基于液态金属的微小流道冷却技术被认为是一种解决高热流芯片冷却难题的有效方案。提到液态金属冷却，不得不将其与传统水冷做一个对比。这里给出两者的主要热物性对比（见图1），其中液态金属以典型的Ga68In20Sn12合金为例来说明。可以看到，液态金属占据很宽的液相工作温区，从十几摄氏度熔点到两千多摄氏度的沸点之间始终处于液态。液态金属的比热容比水低一个数量级，但是由于其密度较高，为水的6倍，因而其单位体积的比热容可以达到水的一半。流动属性方面，液态金属的黏度为0.0022 kg/（m·s），水的黏度为0.001 kg/（m·s），均拥有很好地流动性。液态金属的热导率比水高2个数量级，到达39 W/（m·K），因此其传热换热能力远高于水。此外，液态金属拥有良好的导电性，可以采用电池泵驱动技术，具有安静高效稳定的优势。
为了定量说明液态金属冷却技术在超级芯片冷却领域的优势，这里针对发热功率为500 W，大小为1 cm2的超级芯片设计了一个微流道热沉对其进行对流冷却。假定冷却工质的入口温度均为25 ℃，流量均为2 L/min。通过数值模拟得到的2种冷却方式下芯片的温度云图，具体如图2所示。可以看到，在同等流道结构和流动条件下，采用微通道水冷时芯片的最高温度高达131 ℃，超出了其可承受范围。当使用液态金属作为冷却工质时，则可以将芯片温度有效控制在96 ℃，说明液态金属有能力应对超级芯片的极端冷却需求。
在芯片封装与冷却技术领域，还有一大类需要关注、的问题是界面热阻问题。在任意一对相互接触的固体表 、面，实际上并不是完美的贴合。在微观尺度上，两接触 、面之间实际上存在大量的空气间隙，如图3所示。空气的 、热导率仅为0.02 W/（m·K），严重阻碍了两界面之间的 、传热，接触界面之间产生较大的温差，这显然不利于降 、低芯片温度 ；特别是在热流密度较大时，界面温差效应 、将非常显著。因此，必须采取有效措施来减小界面热阻 、和界面温差。
使用柔软的界面材料来填充两接触界面之间微小的空气间隙是减小界面热阻的有效措施。目前，市场上常用的热界面材料主要由有机硅脂制成，其最大的不足之处在于热导率较低，一般只有0.2 W/（m·K）左右，因此其导热能力也十分有限。在导热硅脂中添加高导热纳米颗粒可以提升其等效热导率，比如，添加铜或铝纳米颗粒可以使其热导率到达1 W/（m·K）左右。据文献报道，添加石墨烯类纳米材料可以使传统热界面材料的等效热导率达到6~8 W/（m·K）。
2012年，中科院理化所刘静研究员团队提出了使用镓基液态金属作为热界面材料的方法。液态金属自身就拥有很好的导热能力，比如镓的热导率高达33 W/（m·K），经过一定的氧化制成具有很好的黏附性的热界面材料时，其热导率仍然可以维持在15 W/（m·K）左右，远高于传统的硅脂材料。此外，适当的高导热纳米颗粒掺杂可以进一步获得更高性能的金属热界面材料。
在上面图2的微流道冷却模拟计算中，界面材料实际上已经默认采用了液态金属热界面材料，才使得芯片与冷板之间的界面温差得以保持在一个可以接受的范围内。为了直观地说明液态金属热界面材料相比于传统导热硅脂的优势，这里做一个简单的对比。假定芯片与冷板之间的接触界面的表面粗糙度约为100 μm，通过界面的热流密度为500 W/cm2，使用不同的热界面材料时界面附近的温度分布云图如图4所示。可以看到，当不使用界面材料时，界面两侧的温差高达76 ℃ （冷端25 ℃，热端101 ℃），远超出芯片冷却系统可以接受的范围。使用添加了金属纳米颗粒的导热膏时，可以将界面温差减小到62 ℃，但仍然较高。即使是使用石墨烯掺杂的导热硅脂，界面温差仍然高达38 ℃。而当使用液态金属热界面材料时，则可以有效地将界面温差控制在23 ℃。不难看出，使用高性能液态金属热界面材料对于改善超级芯片界面热阻至关重要。
文中介绍的微小流道对流冷却技术是一种针对持续性发热问题的主动冷却技术，也是目前比较常见的冷却方法。事实上，并非所有的芯片冷却问题都需要进行持续性冷却。针对一些一次性或者间断性工作的芯片，采用相变热缓冲冷却技术更为经济实用。相变热缓冲冷却技术是一种被动式的冷却技术，它利用相变材料在其固液相变过程中可以吸收大量潜热而其温度保持恒定的原理来防止芯片在工作过程中过度发热。当芯片停止工作后，相变材料将吸收的热量释放到周围环境当中并发生凝固，为抵抗下一次热冲击做好准备。
此外，对于一些存在瞬时性功率波动的器件或设备，相变热缓冲技术可以作为一种辅助的温控手段。在热设计时，可以根据器件的基本热负荷来设计相应的主动冷却系统，同时配备相变温控单元，以便于在瞬时性功率波动时防止器件过热。如果不添加相变温控单元，则需要按照最高热负荷来设计相应的冷却系统，这无疑会增加其成本和复杂度。比如，可以直接将相变材料集成封装到芯片当中，以缓冲芯片由于偶尔的功率脉冲带来的热冲击。
相变热缓冲冷却技术中最核心的是相变材料，而相变传热过程则是相变材料使用过程中为关键的环节，相变传热能力的好坏直接决定了其温控性能。热导率偏低是传统的相变材料普遍存在的一个问题，石蜡类相变材料的热导率在0.1~0.3 W/（m·K）量级，无机盐类相变材料的热导率在0.4~0.6 W/（m·K）左右，低热导率严重阻碍了相变材料内部的热量传递，从而限制了其热控性能。近年来，针对这一问题，研究者们提出了一系列强化传热措施，包括热导率增强、增加传热面积和提供高导热路径，但效果仍然十分有限。
2012年，中科院理化所刘静研究员团队提出了低熔点金属类新型相变材料体系，用于芯片热冲击防护和中低温区间的热能储存，其中，芯片或电子器件的热控应用主要包括智能手机和高密度移动硬盘等间断性使用的设备。目前已经报道的低熔点金属相变材料的热导率多处在10~40 W/（m·K）量级，比传统的有机或无机相变材料高出了2个数量级，因此其相变热控能力也远优于传统材料，可以更加高效地保障电子器件温度始终处在允许的范围内，保证其工作效率、稳定性和寿命。
图5直观地展示了采用低熔点金属相变材料来应对高功率芯片瞬时热脉冲的温控效果。假定芯片初始温度为25 ℃，热脉冲功率500 W（热流密度500 W/cm2），热脉冲时间为40 ms。可以看到，当不采用相变热缓冲技术时，芯片温度会在短时间内迅速上升到148 ℃，这可能造成芯片瞬间损坏。当使用传统的有机相变材料来进行热缓冲时，由于其热导率低，热量在短时间内几乎无法进入相变材料内部，相变材料几乎形同虚设，芯片温度仍然会迅速上升到140 ℃。而当使用金属相变材料（这里使用的是镓）时，相变材料扮演了一个冷池的作用，吸收大量潜热，并将芯片温度有效控制在69 ℃。
日常生活中的电子产品，包括智能手机、移动存储设备、Pad、平板电脑、数码相机等等，均存在一定程度的间歇发热问题，低熔点金属相变材料可以有效地解决这一问题，并且可以为这些电子设备向更高的性能和更高的集成度发展提供关键的冷却技术保障。此外，对于一些环境温度高于或者低于设备或芯片允许温度范围的情形，例如深井电子设备和再入飞行器等，设备需要抵抗外界的热量或冷量，在不便于采取其他主动冷却技术的情形下，采用基于低熔点金属相变材料的相变热控技术是一个很好的解决方案，可以为电子设备提供高效、紧凑、稳定的热/冷防护。
液态金属是近年来兴起的一大类高性能热管理材料，基于液态金属的对流冷却技术、液态金属热界面材料以及基于低熔点金属相变材料的相变温控技术等，均在冷却能力上实现了较传统冷却技术量级上的提升，为打破芯片“热障”难题提供了全新的高性能冷却技术支撑。通过模拟计算证实了液态金属在应对极端高热流冷却需求方面的优越性和不可替代性，后续将进一步开展相关的冷却系统设计和实验测试。可以预见，未来液态金属高性能冷却技术将在国防和民用高端电子设备冷却与热管理领域发挥越来越重要的作用。
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