來源：金屬世界

作者：張禧龍 中國科學院理化技術研究所

隨著芯片的集成度越來越高，散熱問題已成為制約其發展的主要瓶頸之一。液態金屬芯片散熱 技術的引入為此打開了新的局面。相比于傳統以水為冷卻介質的液冷技術，液態金屬冷卻具有更優 異的散熱性能。此外，由于其導電性，液態金屬還可以采用完全無運動部件的電磁泵進行驅動。而利用電容對電磁泵進行供電，可以非常便捷的實現大電流，從而顯著提升電磁泵的驅動能力，并有望實現液態金屬的射流。那么，電磁泵是如何驅動液態金屬的？液態金屬散熱技術的優勢何在？本文將通過介紹芯片散熱的發展歷史、液態金屬的優異性能，使人們更好地認識液態金屬，以及它在散熱領域的應用。

液態金屬技術除了在高功率密度電子芯片、光電器件以及國防領域極端散熱上有著重大應用價值外，還被逐步拓展到消費電子、光伏發電、能量儲存、智能電網、高性能電池、發動機系統以及熱點轉換等領域。作為性能卓越的熱管理解決方案，液態金屬為對流冷卻、熱界面材料、相變熱控等領域帶來了觀念和技術上的重大變革，突破了傳統冷卻原理的技術極限，為大量面臨“熱障”問題的器件和 裝備的冷卻提供了富有前景的解決方案。

芯片散熱的發展歷史

近 20 多年來，隨著微納電子技術的飛速發展，各類光電芯片及器件的集成度得以快速提升，由 此引發的“熱障”問題日益嚴峻，這使得對高性能先進冷卻技術的需求日益旺盛，同時也促成了一場針對傳統散熱或冷卻技術的變革。以計算機 CPU 為例，其發熱功率一直呈現一種螺旋上升的趨勢。這一方面是由于不斷提高的晶體管集成度，另一方面也源于不斷改進的材料、工藝及封裝結構。常規芯片由于技術的進步可朝低功耗方向發展，但高端芯片對更高熱流密度 (>100 W/cm2 ) 的需求是持續存在的，因為它從本質上取決于尖端應用對芯片計算能力的不斷渴求。當前，高端 CPU 技術無一不經受著巨大的散熱挑戰，3D 芯片通過晶元的堆疊可以實現更快的計算速度，但卻帶來更為嚴重的熱量堆積和 局部熱點問題，而 CPU/GPU 融合技術毫無疑問將使單顆芯片產生更高的熱量。因此，高性能的散熱解決方案將始終是未來高端芯片向更高性能邁進的關 鍵技術支撐。

當前，翅片風冷因為其低成本和高穩定性的優勢占據了市場上低功耗芯片散熱場合的絕對主流。然而，隨著芯片發熱功率的逐漸攀升和局部熱點問題日益凸顯，這種傳統技術將無法滿足相應的散熱需求。為滿足不斷增長的高端芯片的散熱需求，學術界和工業界發展了一系列先進散熱技術。下面將對具有代表性的幾類散熱技術進行介紹。

熱管散熱技術

1963 年，美國 LosAlamos 國家實驗室首次提出 一種高效的傳熱元件——熱管，經過 30 多年的發 展，20 世紀 90 年代熱管技術開始大規模應用。熱管充分利用了工質氣液相變吸熱放熱的性質通過熱管可以將發熱器件的熱量迅速傳遞到散熱翅片，其熱 傳導能力超過任何已知金屬的導熱能力。其原理如圖 1 所示，是目前芯片散熱領域應用較為廣泛的高性能散熱技術。其工作過程本質上可以概括為相變熱輸運和毛細回流兩部分。由于它依靠內部工質的氣液相變傳輸熱量，因此具有傳熱能力強的特點， 同時工質完全為熱驅動，無須消耗外界能量。

圖 1 熱管原理圖

熱管的另一種實現形式是真空腔均溫板技術。均溫板為基于熱管原理的衍生產品，其基本結構為內壁具有微結構的真空腔體，該類毛細微結構通常 可為泡沫銅燒結銅粉、微槽道等。當熱量由熱源傳導至蒸發區時，腔體內的工質會在低真空度的環境中開始發生液相汽化的現象，此時工質吸收熱能且體積迅速膨脹，氣相的工質很快充滿整個腔體。當氣相工質接觸到一個較冷的區域時將會產生凝結的現象，依靠凝結釋放出在蒸發時累積的熱，凝結后的液相工質會依靠微結構的毛細現象再回到蒸發熱源處，此循環過程將在腔體內周而復始地進行。

在當前主流芯片發熱密度情況下 (<10 W/cm2 )， 熱管因為其高性能、高穩定性、較低成本等優勢占據了芯片散熱技術的主流。然而，隨著熱流密度的持續升高，熱管不可避免地會面臨其傳熱極限問題。熱管的傳熱極限由黏滯阻力、毛細能力及沸騰極限等多種物理特性共同決定。一旦需傳遞的熱量超過了熱管傳熱極限，熱管的熱端溫度會迅速升高，甚至產生爆裂危險。除此之外，熱管工質的工作溫度范圍、管材與工質的相容性、抗彎折能力也從一定程度上限制了熱管的應用范圍。但總的來說，熱管技術極大地支撐了當前高性能芯片技術的發展。

水冷散熱技術

常規水冷散熱器是市售高端芯片散熱產品中除熱管之外的第二大陣營。同其他散熱方式類似，水冷散熱的傳熱過程也分為兩部分：液體循環不進行熱量搬運或展開以及遠端翅片的空氣冷卻。水冷散熱技術的優點在于結構靈活多變。同時散熱性能較為優秀。在采用大體積的遠端散熱水排時，水冷散熱器的性能甚至可超越頂級熱管。圖 2 展示了典型的 CPU 水冷散熱器及其應用情況，此類系統由冷板、水泵、散熱水排及傳輸管道構成。值得一提的是，當前大多數水冷散熱器內的水冷液體并非純水，而為特殊的具有良好絕緣、抗凍性能的復合液體。芯片散熱領域的水冷散熱器實際上代表了常規液冷這一大類冷卻技術。

圖 2 市售 CPU 典型應用架構

水冷散熱器的性能主要取決于冷板內的液體對流熱阻和遠端翅片的空氣對流熱阻。當前大多數水冷散熱產品冷板內的液體對流換熱系數和熱管蒸發相變換熱系數相當。而遠端翅片因為體積和成本的限制，目前也和頂級熱管基本持平甚至略小。總的來說，目前水冷技術在性能上并不顯著優于熱管產品 (大體積散熱水冷除外)。除了價格較高，工質存在潛在泄露及蒸發等問題也是水冷技術的關鍵瓶頸。要解決此類問題，一方面可從結構著手，比如增加儲備水箱、防漏接頭等部件；另一方面需要從工質著手，尋找熱物性更優、絕緣同時不易蒸發泄露的冷卻工質。

微通道散熱技術

微通道散熱方式是近代傳熱領域的重要創新和突破，其機理在于它采用的極為細密的流道結構不僅能大幅度增加比換熱面積，同時也減薄了邊界層厚度，有效提高了對流換熱系數。目前典型的微通道散熱器件水力直徑約為數十或數百微米，能承載的熱流密度可高達 100~1000 W/cm2 量級，遠超當前大多數電子器件的熱流極限。

考慮材料熱物性和加工性能，微通道的結構材料一般采用無氧銅或硅，加工途徑可采用光化學刻蝕、濕刻蝕、線切割或激光切割等方法。驅動泵是 微通道系統的核心部件之一，在微流控芯片領域已經對此進行了廣泛而深入的研究，典型的微通道驅動泵包括葉輪泵、壓電泵、電磁泵、電滲泵等。微通道散熱技術的兩個核心問題在于其流動阻力和傳 熱性能的評估。

盡管微通道散熱技術具有非常高的換熱系數， 但其運行阻力大、泵功高，同時在超高熱流密度下也有兩相傳熱失穩或惡化風險。近些年，隨著更高密度芯片集成需求，3D 芯片技術逐漸成為高端芯片發展的重要方向。多塊晶圓的垂直堆疊帶來了尤為棘手的內部熱點問題，而微通道則是解決此類問題的有效途徑之一。總的來說，微通道散熱是一項常重要的技術，其優異的性能確保了其持續成為高端芯片散熱技術的研究熱點。

微噴射散熱技術

與微通道類似，微噴射也是解決高熱流密度散熱難題的一種典型的高性能散熱技術。微噴射的特點在于高速的流體沖擊到熱源表面時會在駐點處形成非常薄的邊界層，同時流體的卷吸會產生顯著的紊流，這些效應共同作用導致了噴射區域極高的對流換熱效率 (如圖 3 所示)。

圖 3 微噴射散熱技術原理圖

微噴射技術非常適合解決熱單點極高熱流密度的散熱問題。目前已有研究采用水作為工質，在流 速 100 m/s 的情況下，可以達到熱流密度 40 kW/cm2 的散熱能力。除此之外，微噴射技術的另一項擴展應用是噴霧冷卻，其通過噴射微液滴到熱源表面蒸 發相變而進行散熱。相對于單相微噴射技術，其冷卻面積更廣，溫度均勻性更優。研究表明，單相微噴射冷卻性能主要取決于噴口數量和出口速度而噴 霧冷卻更多地取決于質量流量和液滴速度。在相同冷卻能力的情況下，因為相變潛熱的優勢，噴霧冷卻能夠消耗更小的質量流量。但噴霧冷卻結構更加復雜，在液滴生成、兩相流穩定性方面仍面臨諸多挑戰。

熱電冷卻技術

熱電冷卻是一種基于“珀爾帖”效應的主動制冷方法。典型的熱電元件由多對電學串聯、熱學并聯的 P 型/N 型半導體電偶對陣列組合而成。當電流流 經電偶對時，P 型半導體中的空穴和 N 型半導體中的電子會朝熱電元件的同一端運動，導致能量的定向搬運，空穴/電子聚集的一端放熱升溫，而離開的一端吸熱降溫，從而產生制冷效應。熱電元件的優點在于無機械運動部件、零噪聲、易微型化、壽命長，同時制冷量、冷卻速度、冷卻面均可通過電流靈活調節，易實現恒溫控制，使用方便。

蒸汽壓縮制冷技術

蒸汽壓縮制冷是民用領域應用最為廣泛的主動制冷技術，但直到 20 世紀 90 年代隨著芯片熱管理問題的日益凸顯才逐漸應用于電子散熱領域。典型 的蒸汽壓縮制冷系統包含壓縮機、冷凝器、節流機構和蒸發器 4 個基本組件，其最大的優點在于可獲得傳統散熱方式難以達到的極低冷卻溫度，而且制冷量按需可控。

Thermaltake 公司也曾推出一款基于蒸汽壓縮制冷的臺式電腦散熱器 Xpressar RCS100(如 圖 4 所 示)。其官方網站顯示，該冷卻系統采用 R134a 作為制冷劑，功耗低于 50 W，其熱阻可達到 0.02 ℃/W， 遠低于當前市場上的頂級熱管散熱器。

圖 4 蒸汽壓縮制冷 CPU 散熱系統

蒸汽壓縮制冷技術已相對成熟，但應用在高端芯片散熱領域最重要的問題在于壓縮機的微型化。微型蒸汽壓縮技術系統具有出色的冷卻能力，但其系統相對復雜，震動、噪聲、結露等問題還需要進一步克服，同時其成本尚需進一步降低。

芯片散熱技術發展趨勢

按照熱展開機理的不同，芯片散熱技術經歷了 四代變革。第一代芯片散熱器 (翅片風冷) 主要依靠銅/鋁等金屬的導熱來實現熱量從局部熱源到翅片散熱面的展開。因為金屬的熱導率有限，所以在熱源集中時擴散熱阻非常明顯，散熱器的熱展開能力存在很大局限。第二代芯片散熱技術 (熱管) 以相變吸熱/毛細回流的熱展開方式，極大提升了散熱器的性能。然而，在高熱流密度情況下，相變熱展開受傳 熱極限限制存在性能惡化的問題。第三代芯片散熱技術 (水冷、微通道、微噴等)，采用水的對流換熱來實現熱展開過程，其典型特點在于結構靈活，熱展開性能優越，同時耐極限熱流能力強。

然而，作為第三代高性能芯片散熱技術，水冷在向更高熱流密度邁進時仍然面臨諸多困難和瓶頸。主要原因在于：一方面，水熱導區低，雖然可通過添加納米顆粒等方法在一定程度上進行提升， 但在極端熱流密度情況時仍需要高流速或者微通道來提升換熱能力，對驅動泵要求高；另一方面，水的沸點低，在高熱流/低流速情況下容易發生沸騰現象，帶來嚴重的系統穩定性問題。

隨著芯片集成度和熱流密度的持續攀升，亟須發展第四代先進芯片散熱技術。第四代散熱技術須具備結構簡單、熱展開性能優異、超高的耐極限熱流密度。液態金屬芯片散熱技術的提出為發展第四代芯片散熱技術帶來了曙光。在單相對流情況下， 液態金屬的對流換熱系數可以比水高數個量級。同時，其出色的穩定性極大地拓展了散熱領域由水冷所達到的極限熱流密度。綜合其性能優勢，液態金屬冷卻方法非常有潛力作為芯片散熱領域的第四代散熱技術。

液態金屬性能

2014 年，中科院理化所劉靜等將液態金屬散熱技術應用于芯片、光電器件的冷卻。而液態金屬之所以能作為流動工質引入到電子器件散熱技術中，是因為其優異的性能：

(1) 相比于許多傳統的非金屬流體如水、空氣等，液態金屬的熱導率更高，故以液態金屬為流動工質的散熱部件能夠搬走更多的熱量，其極限散熱能力也越強。 

(2) 液態金屬由于具有較高的電導率，故可用不發聲、低能耗、無機械部件的電磁泵來驅動。

(3) 液態金屬的物理化學性質較為穩定且用完容易處理，不會輕易泄露蒸發等，是一種可長期、高效使用的安全流動工質。

作為流動散熱工質，其性能是否優異本質上取決于流動介質的熱物性質。目前，鎵基合金的熱物性尤為出色，故成為研究液態金屬用于芯片散熱技術時的常用介質。表 1 為鎵基液態金屬的相關熱物理性質。

(1) 熔點。純鎵的熔點略高于室溫，為 29.8 ℃， 而降低其熔點最有效的方法就是將鎵與其他金屬形成合金，由表 1 可以看出，鎵基合金的熔點可降低至 8 ℃。

(2) 密度 ρ 、熱容c及導熱系數 k 。液態金屬的 ρ、c、k 熱能優程導體熱綜性 、 將決定其傳性的異度。從表 2 可以看出，鎵基合金的熱率是水的近 40 倍，而 積 容 小于水。液態金屬作為散熱流體時的合能要優于其他非金屬介質。

除此之外， 液態金屬的飽和蒸汽壓較小、表面張力大、化學性質穩定及無毒性都成為液態金屬作為流動工質用到芯片散熱技術領域的優勢。

電磁泵驅動液態金屬

電磁泵是一種不需要任何機械部件的輸送裝置，但其驅動的流體需具有高導電性。在實際應用中大多用于輸送具有高導電、高導熱的液態金屬， 所以稱作液態金屬電磁泵，簡稱電磁泵。根據不同流量、輸送介質所對應的壓差及工作的環境與性質的差異，電磁泵按結構形式、電源類型等的不同， 分為如圖 5 所示的各種形式。

圖 5 電磁泵的分類

一般來說，在工作環境比較苛刻的工業部門，如冶金、鑄造工業，常用應平泵。因為感應式電磁泵不需要專用流源，且結構簡單，但效率較低 (即單面繞組/雙面繞組)。傳導泵一般效率較高，且因所需電壓較低 (1V 左右)，所以即使在高溫情況下絕緣處理也較容易做到，但其結構會變得較復雜。

由于液態金屬的高導電性和良好的流動性，在實際的液態金屬散熱器之中一般可采用無運動部件的電磁泵進行驅。由于電磁泵僅僅利用了導電流體在磁場下的安培力，電磁泵并不含有任何的運動部牛，可靠性高、無噪聲、驅動壓頭穩定。電磁泵是一種驅動導電流體的泵，具有結構緊湊、輸出壓力高、無泄漏、體積小、價格相對低廉等特點，適合小的輸出流量應用場合。

電磁泵原理如圖 6 所示：流道內工質最初為靜態的導電流體，并有一段位于 z 方向永磁體產生的磁場當中。

圖 6 電磁泵原理示意圖

若此時 ， 在導電流體的左右兩端 (圖中 A、B 處) 分別與電源正負極連通，使得通道內導電流體形成如圖所示，方向朝負 y 方向的電流。由左手(安培)定則可得：導電流體受到如圖負 x 方向的培力，三者方向相互垂直 ，安倍力的大小為F =B x  I x L 。由于等式中 B 與 L 是恒定的，故增大 I 即可增大安培力，從而獲得流速更高的流體。

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