随着芯片的集成度越来越高，散热问题已成为制约其发展的主要瓶颈之一。液态金属芯片散热 技术的引入为此打开了新的局面。相比于传统以水为冷却介质的液冷技术，液态金属冷却具有更优 异的散热性能。此外，由于其导电性，液态金属还可以采用完全无运动部件的电磁泵进行驱动。而利用电容对电磁泵进行供电，可以非常便捷的实现大电流，从而显著提升电磁泵的驱动能力，并有望实现液态金属的射流。那么，电磁泵是如何驱动液态金属的？液态金属散热技术的优势何在？本文将通过介绍芯片散热的发展历史、液态金属的优异性能，使人们更好地认识液态金属，以及它在散热领域的应用。
液态金属技术除了在高功率密度电子芯片、光电器件以及国防领域极端散热上有着重大应用价值外，还被逐步拓展到消费电子、光伏发电、能量储存、智能电网、高性能电池、发动机系统以及热点转换等领域。作为性能卓越的热管理解决方案，液态金属为对流冷却、热界面材料、相变热控等领域带来了观念和技术上的重大变革，突破了传统冷却原理的技术极限，为大量面临“热障”问题的器件和 装备的冷却提供了富有前景的解决方案。近 20 多年来，随着微纳电子技术的飞速发展，各类光电芯片及器件的集成度得以快速提升，由 此引发的“热障”问题日益严峻，这使得对高性能先进冷却技术的需求日益旺盛，同时也促成了一场针对传统散热或冷却技术的变革。以计算机 CPU 为例，其发热功率一直呈现一种螺旋上升的趋势。这一方面是由于不断提高的晶体管集成度，另一方面也源于不断改进的材料、工艺及封装结构。常规芯片由于技术的进步可朝低功耗方向发展，但高端芯片对更高热流密度 (>100 W/cm2 ) 的需求是持续存在的，因为它从本质上取决于尖端应用对芯片计算能力的不断渴求。当前，高端 CPU 技术无一不经受着巨大的散热挑战，3D 芯片通过晶元的堆叠可以实现更快的计算速度，但却带来更为严重的热量堆积和 局部热点问题，而 CPU/GPU 融合技术毫无疑问将使单颗芯片产生更高的热量。因此，高性能的散热解决方案将始终是未来高端芯片向更高性能迈进的关 键技术支撑。当前，翅片风冷因为其低成本和高稳定性的优势占据了市场上低功耗芯片散热场合的绝对主流。然而，随着芯片发热功率的逐渐攀升和局部热点问题日益凸显，这种传统技术将无法满足相应的散热需求。为满足不断增长的高端芯片的散热需求，学术界和工业界发展了一系列先进散热技术。下面将对具有代表性的几类散热技术进行介绍。1963 年，美国 LosAlamos 国家实验室首次提出 一种高效的传热元件——热管，经过 30 多年的发 展，20 世纪 90 年代热管技术开始大规模应用。热管充分利用了工质气液相变吸热放热的性质通过热管可以将发热器件的热量迅速传递到散热翅片，其热 传导能力超过任何已知金属的导热能力。其原理如图 1 所示，是目前芯片散热领域应用较为广泛的高性能散热技术。其工作过程本质上可以概括为相变热输运和毛细回流两部分。由于它依靠内部工质的气液相变传输热量，因此具有传热能力强的特点， 同时工质完全为热驱动，无须消耗外界能量。热管的另一种实现形式是真空腔均温板技术。均温板为基于热管原理的衍生产品，其基本结构为内壁具有微结构的真空腔体，该类毛细微结构通常 可为泡沫铜烧结铜粉、微槽道等。当热量由热源传导至蒸发区时，腔体内的工质会在低真空度的环境中开始发生液相汽化的现象，此时工质吸收热能且体积迅速膨胀，气相的工质很快充满整个腔体。当气相工质接触到一个较冷的区域时将会产生凝结的现象，依靠凝结释放出在蒸发时累积的热，凝结后的液相工质会依靠微结构的毛细现象再回到蒸发热源处，此循环过程将在腔体内周而复始地进行。在当前主流芯片发热密度情况下 (<10 W/cm2 )， 热管因为其高性能、高稳定性、较低成本等优势占据了芯片散热技术的主流。然而，随着热流密度的持续升高，热管不可避免地会面临其传热极限问题。热管的传热极限由黏滞阻力、毛细能力及沸腾极限等多种物理特性共同决定。一旦需传递的热量超过了热管传热极限，热管的热端温度会迅速升高，甚至产生爆裂危险。除此之外，热管工质的工作温度范围、管材与工质的相容性、抗弯折能力也从一定程度上限制了热管的应用范围。但总的来说，热管技术极大地支撑了当前高性能芯片技术的发展。常规水冷散热器是市售高端芯片散热产品中除热管之外的第二大阵营。同其他散热方式类似，水冷散热的传热过程也分为两部分：液体循环不进行热量搬运或展开以及远端翅片的空气冷却。水冷散热技术的优点在于结构灵活多变。同时散热性能较为优秀。在采用大体积的远端散热水排时，水冷散热器的性能甚至可超越顶级热管。图 2 展示了典型的 CPU 水冷散热器及其应用情况，此类系统由冷板、水泵、散热水排及传输管道构成。值得一提的是，当前大多数水冷散热器内的水冷液体并非纯水，而为特殊的具有良好绝缘、抗冻性能的复合液体。芯片散热领域的水冷散热器实际上代表了常规液冷这一大类冷却技术。水冷散热器的性能主要取决于冷板内的液体对流热阻和远端翅片的空气对流热阻。当前大多数水冷散热产品冷板内的液体对流换热系数和热管蒸发相变换热系数相当。而远端翅片因为体积和成本的限制，目前也和顶级热管基本持平甚至略小。总的来说，目前水冷技术在性能上并不显著优于热管产品 (大体积散热水冷除外)。除了价格较高，工质存在潜在泄露及蒸发等问题也是水冷技术的关键瓶颈。要解决此类问题，一方面可从结构着手，比如增加储备水箱、防漏接头等部件；另一方面需要从工质着手，寻找热物性更优、绝缘同时不易蒸发泄露的冷却工质。微通道散热方式是近代传热领域的重要创新和突破，其机理在于它采用的极为细密的流道结构不仅能大幅度增加比换热面积，同时也减薄了边界层厚度，有效提高了对流换热系数。目前典型的微通道散热器件水力直径约为数十或数百微米，能承载的热流密度可高达 100~1000 W/cm2 量级，远超当前大多数电子器件的热流极限。考虑材料热物性和加工性能，微通道的结构材料一般采用无氧铜或硅，加工途径可采用光化学刻蚀、湿刻蚀、线切割或激光切割等方法。驱动泵是 微通道系统的核心部件之一，在微流控芯片领域已经对此进行了广泛而深入的研究，典型的微通道驱动泵包括叶轮泵、压电泵、电磁泵、电渗泵等。微通道散热技术的两个核心问题在于其流动阻力和传 热性能的评估。尽管微通道散热技术具有非常高的换热系数， 但其运行阻力大、泵功高，同时在超高热流密度下也有两相传热失稳或恶化风险。近些年，随着更高密度芯片集成需求，3D 芯片技术逐渐成为高端芯片发展的重要方向。多块晶圆的垂直堆叠带来了尤为棘手的内部热点问题，而微通道则是解决此类问题的有效途径之一。总的来说，微通道散热是一项常重要的技术，其优异的性能确保了其持续成为高端芯片散热技术的研究热点。与微通道类似，微喷射也是解决高热流密度散热难题的一种典型的高性能散热技术。微喷射的特点在于高速的流体冲击到热源表面时会在驻点处形成非常薄的边界层，同时流体的卷吸会产生显著的紊流，这些效应共同作用导致了喷射区域极高的对流换热效率 (如图 3 所示)。微喷射技术非常适合解决热单点极高热流密度的散热问题。目前已有研究采用水作为工质，在流 速 100 m/s 的情况下，可以达到热流密度 40 kW/cm2 的散热能力。除此之外，微喷射技术的另一项扩展应用是喷雾冷却，其通过喷射微液滴到热源表面蒸 发相变而进行散热。相对于单相微喷射技术，其冷却面积更广，温度均匀性更优。研究表明，单相微喷射冷却性能主要取决于喷口数量和出口速度而喷 雾冷却更多地取决于质量流量和液滴速度。在相同冷却能力的情况下，因为相变潜热的优势，喷雾冷却能够消耗更小的质量流量。但喷雾冷却结构更加复杂，在液滴生成、两相流稳定性方面仍面临诸多挑战。热电冷却是一种基于“珀尔帖”效应的主动制冷方法。典型的热电元件由多对电学串联、热学并联的 P 型/N 型半导体电偶对阵列组合而成。当电流流 经电偶对时，P 型半导体中的空穴和 N 型半导体中的电子会朝热电元件的同一端运动，导致能量的定向搬运，空穴/电子聚集的一端放热升温，而离开的一端吸热降温，从而产生制冷效应。热电元件的优点在于无机械运动部件、零噪声、易微型化、寿命长，同时制冷量、冷却速度、冷却面均可通过电流灵活调节，易实现恒温控制，使用方便。蒸汽压缩制冷是民用领域应用最为广泛的主动制冷技术，但直到 20 世纪 90 年代随着芯片热管理问题的日益凸显才逐渐应用于电子散热领域。典型 的蒸汽压缩制冷系统包含压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器 4 个基本组件，其最大的优点在于可获得传统散热方式难以达到的极低冷却温度，而且制冷量按需可控。Thermaltake 公司也曾推出一款基于蒸汽压缩制冷的台式电脑散热器 Xpressar RCS100(如 图 4 所 示)。其官方网站显示，该冷却系统采用 R134a 作为制冷剂，功耗低于 50 W，其热阻可达到 0.02 ℃/W， 远低于当前市场上的顶级热管散热器。蒸汽压缩制冷技术已相对成熟，但应用在高端芯片散热领域最重要的问题在于压缩机的微型化。微型蒸汽压缩技术系统具有出色的冷却能力，但其系统相对复杂，震动、噪声、结露等问题还需要进一步克服，同时其成本尚需进一步降低。按照热展开机理的不同，芯片散热技术经历了 四代变革。第一代芯片散热器 (翅片风冷) 主要依靠铜/铝等金属的导热来实现热量从局部热源到翅片散热面的展开。因为金属的热导率有限，所以在热源集中时扩散热阻非常明显，散热器的热展开能力存在很大局限。第二代芯片散热技术 (热管) 以相变吸热/毛细回流的热展开方式，极大提升了散热器的性能。然而，在高热流密度情况下，相变热展开受传 热极限限制存在性能恶化的问题。第三代芯片散热技术 (水冷、微通道、微喷等)，采用水的对流换热来实现热展开过程，其典型特点在于结构灵活，热展开性能优越，同时耐极限热流能力强。然而，作为第三代高性能芯片散热技术，水冷在向更高热流密度迈进时仍然面临诸多困难和瓶颈。主要原因在于：一方面，水热导区低，虽然可通过添加纳米颗粒等方法在一定程度上进行提升， 但在极端热流密度情况时仍需要高流速或者微通道来提升换热能力，对驱动泵要求高；另一方面，水的沸点低，在高热流/低流速情况下容易发生沸腾现象，带来严重的系统稳定性问题。随着芯片集成度和热流密度的持续攀升，亟须发展第四代先进芯片散热技术。第四代散热技术须具备结构简单、热展开性能优异、超高的耐极限热流密度。液态金属芯片散热技术的提出为发展第四代芯片散热技术带来了曙光。在单相对流情况下， 液态金属的对流换热系数可以比水高数个量级。同时，其出色的稳定性极大地拓展了散热领域由水冷所达到的极限热流密度。综合其性能优势，液态金属冷却方法非常有潜力作为芯片散热领域的第四代散热技术。2014 年，中科院理化所刘静等将液态金属散热技术应用于芯片、光电器件的冷却。而液态金属之所以能作为流动工质引入到电子器件散热技术中，是因为其优异的性能：(1) 相比于许多传统的非金属流体如水、空气等，液态金属的热导率更高，故以液态金属为流动工质的散热部件能够搬走更多的热量，其极限散热能力也越强。 (2) 液态金属由于具有较高的电导率，故可用不发声、低能耗、无机械部件的电磁泵来驱动。(3) 液态金属的物理化学性质较为稳定且用完容易处理，不会轻易泄露蒸发等，是一种可长期、高效使用的安全流动工质。作为流动散热工质，其性能是否优异本质上取决于流动介质的热物性质。目前，镓基合金的热物性尤为出色，故成为研究液态金属用于芯片散热技术时的常用介质。表 1 为镓基液态金属的相关热物理性质。(1) 熔点。纯镓的熔点略高于室温，为 29.8 ℃， 而降低其熔点最有效的方法就是将镓与其他金属形成合金，由表 1 可以看出，镓基合金的熔点可降低至 8 ℃。(2) 密度 ρ 、热容c及导热系数 k 。液态金属的 ρ、c、k 热能优程导体热综性 、 将决定其传性的异度。从表 2 可以看出，镓基合金的热率是水的近 40 倍，而 积 容 小于水。液态金属作为散热流体时的合能要优于其他非金属介质。除此之外， 液态金属的饱和蒸汽压较小、表面张力大、化学性质稳定及无毒性都成为液态金属作为流动工质用到芯片散热技术领域的优势。电磁泵是一种不需要任何机械部件的输送装置，但其驱动的流体需具有高导电性。在实际应用中大多用于输送具有高导电、高导热的液态金属， 所以称作液态金属电磁泵，简称电磁泵。根据不同流量、输送介质所对应的压差及工作的环境与性质的差异，电磁泵按结构形式、电源类型等的不同， 分为如图 5 所示的各种形式。一般来说，在工作环境比较苛刻的工业部门，如冶金、铸造工业，常用应平泵。因为感应式电磁泵不需要专用流源，且结构简单，但效率较低 (即单面绕组/双面绕组)。传导泵一般效率较高，且因所需电压较低 (1V 左右)，所以即使在高温情况下绝缘处理也较容易做到，但其结构会变得较复杂。由于液态金属的高导电性和良好的流动性，在实际的液态金属散热器之中一般可采用无运动部件的电磁泵进行驱。由于电磁泵仅仅利用了导电流体在磁场下的安培力，电磁泵并不含有任何的运动部牛，可靠性高、无噪声、驱动压头稳定。电磁泵是一种驱动导电流体的泵，具有结构紧凑、输出压力高、无泄漏、体积小、价格相对低廉等特点，适合小的输出流量应用场合。电磁泵原理如图 6 所示：流道内工质最初为静态的导电流体，并有一段位于 z 方向永磁体产生的磁场当中。若此时 ， 在导电流体的左右两端 (图中 A、B 处) 分别与电源正负极连通，使得通道内导电流体形成如图所示，方向朝负 y 方向的电流。由左手(安培)定则可得：导电流体受到如图负 x 方向的培力，三者方向相互垂直 ，安倍力的大小为F =B x I x L 。由于等式中 B 与 L 是恒定的，故增大 I 即可增大安培力，从而获得流速更高的流体。
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