來源：節能基礎科學
作者：周宗和、宋楊、楊小虎、柯志武
摘要 ：隨著高端芯片不斷向微型化、集成化發展，其“熱障”問題日益突顯，已經成為阻礙芯片向更高性能發展的重要挑戰，發展新型的高性能冷卻技術迫在眉睫。基于液態金屬的對流冷卻技術、液態金屬熱界面材料以及基于低熔點金屬相變材料的相變溫控技術等，均在冷卻能力上實現了較傳統冷卻技術量級上的提升，給大量面臨“熱障”難題的器件和裝備的冷卻帶來了全新的解決方案。以千瓦級超級芯片為例，探討液態金屬對于突破其“熱障”難題起到的關鍵作用，并試圖推動液態金屬先進冷卻技術在未來超級芯片冷卻領域的發展和應用。
作為一項高科技核心技術，芯片設計與制造是信息技術領域“皇冠上的明珠”，其難點主要體現在微納加工技術上。“制程”是衡量芯片制造技術的一個重要指標，減小制程有利于縮小晶體管體積和功耗，提高單個芯片晶體管數量，提升計算效率。目前，市場上主流的高端芯片已經采用16 nm，14 nm甚至10 nm技術。早在2015年，美國IBM公司便已經推出了7 nm制程的原型芯片 ；2017年，IBM宣布已經突破了5 nm制程的芯片制造技術，這使得一個指甲蓋大小的單個芯片上的晶體管數量可以高達300億個，其計算性能將得到大幅提升。
對小制程的追求源于芯片高度集成化和輕量化發展的趨勢。早在20世紀60年代，英特爾創始人之一戈登·摩爾就預言 ：“半導體芯片上集成的總晶體管數量每18個月將增加一倍”，后被稱為“摩爾定律”。然而，近年來，“摩爾定律”的發展遇到了瓶頸。一方面，大規模的晶體管集成對制程提出了更高的要求，已經瀕臨其技術極限。另一方面，芯片的高度集成化導致其發熱問題日益嚴峻。在芯片的工作過程中，幾乎一半的功率會轉化為熱量，如果不能將這些熱量及時散出，將導致芯片的溫度持續升高。當芯片溫度高于一定限值之后，將影響其工作效率、性能、穩定性，嚴重時，甚至會引發安全事故。為保證芯片安全高效的工作，一般應將其溫度控制在85 ℃以下。
2004年，國際電子制造計劃相關技術路線圖提出預測，到2020年左右，高性能芯片的運行功率或可達到360 W，相應地，其發熱熱流密度將高達190 W/cm2，這已經接近于核反應堆一回路的熱流密度。事實表明，高端芯片產業的發展已經超出技術路線圖的預測，部分高性能芯片工作時的發熱熱流密度已達到300 W/cm2。2012年和2016年，《自然》雜志兩篇文章相繼指出，芯片“熱障”難題已成為阻礙其進一步發展的關鍵挑戰，急需開發相應的高性能冷卻技術。
冷卻技術隨著冷卻需求的提升而不斷發展。傳統的空氣自然對流冷卻和空氣強制對流冷卻散熱能力較差，僅適用于熱流密度10 W/cm2以下的情形 ；熱管冷卻是目前筆記本電腦散熱的主流技術，一般可以應對熱流密度在10~100 W/m2范圍內冷卻需求 ；對于更高熱流密度的芯片冷卻，目前研究的熱點是液冷技術，特別是以水為工質的液冷技術。盡管水冷技術的冷卻能力已經較傳統技術有很大的提升，但由于水的熱導率較低（室溫下為0.6 W/（m·K）），限制了其對流換熱能力，因此研究者們提出了一系列強化傳熱措施，包括納米流體、微小通道等等。微小流道水冷技術可以應對比如100~1 000 W/m2量級的極端冷卻需求，但是由于其存在流動阻力大、流道容易堵塞等問題，目前還難以應用。因此，研究者們一直致力于尋找更加高效的冷卻工質和冷卻方法。室溫液態金屬冷卻技術正是在這樣的背景下孕育而出，其固有的高熱導率賦予了其優異的傳熱能力，因此一經提出就備受國內外學者和產業界的廣泛關注。經過十幾年的發展，液態金屬冷卻技術不斷完善和延伸，形成了其特有的技術體系，并且還在持續的快速發展當中。
基于液態金屬的高性能冷卻技術主要可以分為三大類：（1）液態金屬對流冷卻；（2）液態金屬熱界面材料；（3）液態金屬相變熱緩沖。在此前的研究中，關于這些先進冷卻技術已經有了大量的報道，并從理論分析、數值仿真和實驗測試等多方面證實了其相比于傳統冷卻方式的優勢。文中將以千瓦級超級芯片的冷卻問題為例，來說明液態金屬冷卻技術在打破傳統工質冷卻極限，解決芯片“熱障”難題中發揮的決定性作用。在下文的案例分析中，將直接面向工作功率1000 W，發熱功率500 W（熱流密度500 W/cm2）的超級芯片展開討論，并分別探討液態金屬微通道冷卻、液態技術熱界面材料以及液態金屬相變熱緩沖技術在其中起到的關鍵作用。
液態金屬是一大類室溫或更高一些溫度附近呈液態的金屬材料。液態金屬具有導熱率高，導電性強，流動性好，易于實現固液相轉換等諸多優勢，在熱控與能源、先進增材制造、生物醫學以及柔性智能機器等多個領域帶來了一系列顛覆性變革，是近年來學術界和產業界關注的熱點。
2002年，中國科學院理化技術研究所劉靜原創性地提出將室溫液態金屬引入到高性能計算機芯片冷卻當中。這里所說的液態金屬，不同于傳統的汞及堿金屬材料，主要是指鎵及其合金（如鎵銦合金，鎵銦錫合金等）以及鉍基合金（如鉍銦錫合金），是一類安全無毒的低熔點金屬材料，熔點在室溫附近。將室溫液態金屬引入民用電子器件冷卻是一種觀念上的巨大突破，改變了人們對于傳統液態金屬材料的認識，并由此開啟了液態金屬在消費電子高端芯片冷卻領域的大門。該技術已經提出，并迅速引起了國內外學者的廣泛關注，美國國家宇航局將其列為未來十大前沿研究方向之一，美國阿貢國家實驗室以及歐洲原子能實驗室也開展了相關原型機研制工作，美國Nanocooler公司和Aqwest LLC公司斥資數千萬美元用于高性能液態金屬芯片冷卻技術的開發。越來越多的觀點認為，液態金屬開啟了芯片冷卻技術的全新時代。
2 液態金屬微流道冷卻
基于液態金屬的微小流道冷卻技術被認為是一種解決高熱流芯片冷卻難題的有效方案。提到液態金屬冷卻，不得不將其與傳統水冷做一個對比。這里給出兩者的主要熱物性對比（見圖1），其中液態金屬以典型的Ga68In20Sn12合金為例來說明。可以看到，液態金屬占據很寬的液相工作溫區，從十幾攝氏度熔點到兩千多攝氏度的沸點之間始終處于液態。液態金屬的比熱容比水低一個數量級，但是由于其密度較高，為水的6倍，因而其單位體積的比熱容可以達到水的一半。流動屬性方面，液態金屬的黏度為0.0022 kg/（m·s），水的黏度為0.001 kg/（m·s），均擁有很好地流動性。液態金屬的熱導率比水高2個數量級，到達39 W/（m·K），因此其傳熱換熱能力遠高于水。此外，液態金屬擁有良好的導電性，可以采用電池泵驅動技術，具有安靜高效穩定的優勢。
為了定量說明液態金屬冷卻技術在超級芯片冷卻領域的優勢，這里針對發熱功率為500 W，大小為1 cm2的超級芯片設計了一個微流道熱沉對其進行對流冷卻。假定冷卻工質的入口溫度均為25 ℃，流量均為2 L/min。通過數值模擬得到的2種冷卻方式下芯片的溫度云圖，具體如圖2所示。可以看到，在同等流道結構和流動條件下，采用微通道水冷時芯片的最高溫度高達131 ℃，超出了其可承受范圍。當使用液態金屬作為冷卻工質時，則可以將芯片溫度有效控制在96 ℃，說明液態金屬有能力應對超級芯片的極端冷卻需求。
在芯片封裝與冷卻技術領域，還有一大類需要關注、的問題是界面熱阻問題。在任意一對相互接觸的固體表 、面，實際上并不是完美的貼合。在微觀尺度上，兩接觸 、面之間實際上存在大量的空氣間隙，如圖3所示。空氣的 、熱導率僅為0.02 W/（m·K），嚴重阻礙了兩界面之間的 、傳熱，接觸界面之間產生較大的溫差，這顯然不利于降 、低芯片溫度 ；特別是在熱流密度較大時，界面溫差效應 、將非常顯著。因此，必須采取有效措施來減小界面熱阻 、和界面溫差。
使用柔軟的界面材料來填充兩接觸界面之間微小的空氣間隙是減小界面熱阻的有效措施。目前，市場上常用的熱界面材料主要由有機硅脂制成，其最大的不足之處在于熱導率較低，一般只有0.2 W/（m·K）左右，因此其導熱能力也十分有限。在導熱硅脂中添加高導熱納米顆粒可以提升其等效熱導率，比如，添加銅或鋁納米顆粒可以使其熱導率到達1 W/（m·K）左右。據文獻報道，添加石墨烯類納米材料可以使傳統熱界面材料的等效熱導率達到6~8 W/（m·K）。
2012年，中科院理化所劉靜研究員團隊提出了使用鎵基液態金屬作為熱界面材料的方法。液態金屬自身就擁有很好的導熱能力，比如鎵的熱導率高達33 W/（m·K），經過一定的氧化制成具有很好的黏附性的熱界面材料時，其熱導率仍然可以維持在15 W/（m·K）左右，遠高于傳統的硅脂材料。此外，適當的高導熱納米顆粒摻雜可以進一步獲得更高性能的金屬熱界面材料。
在上面圖2的微流道冷卻模擬計算中，界面材料實際上已經默認采用了液態金屬熱界面材料，才使得芯片與冷板之間的界面溫差得以保持在一個可以接受的范圍內。為了直觀地說明液態金屬熱界面材料相比于傳統導熱硅脂的優勢，這里做一個簡單的對比。假定芯片與冷板之間的接觸界面的表面粗糙度約為100 μm，通過界面的熱流密度為500 W/cm2，使用不同的熱界面材料時界面附近的溫度分布云圖如圖4所示。可以看到，當不使用界面材料時，界面兩側的溫差高達76 ℃ （冷端25 ℃，熱端101 ℃），遠超出芯片冷卻系統可以接受的范圍。使用添加了金屬納米顆粒的導熱膏時，可以將界面溫差減小到62 ℃，但仍然較高。即使是使用石墨烯摻雜的導熱硅脂，界面溫差仍然高達38 ℃。而當使用液態金屬熱界面材料時，則可以有效地將界面溫差控制在23 ℃。不難看出，使用高性能液態金屬熱界面材料對于改善超級芯片界面熱阻至關重要。
文中介紹的微小流道對流冷卻技術是一種針對持續性發熱問題的主動冷卻技術，也是目前比較常見的冷卻方法。事實上，并非所有的芯片冷卻問題都需要進行持續性冷卻。針對一些一次性或者間斷性工作的芯片，采用相變熱緩沖冷卻技術更為經濟實用。相變熱緩沖冷卻技術是一種被動式的冷卻技術，它利用相變材料在其固液相變過程中可以吸收大量潛熱而其溫度保持恒定的原理來防止芯片在工作過程中過度發熱。當芯片停止工作后，相變材料將吸收的熱量釋放到周圍環境當中并發生凝固，為抵抗下一次熱沖擊做好準備。
此外，對于一些存在瞬時性功率波動的器件或設備，相變熱緩沖技術可以作為一種輔助的溫控手段。在熱設計時，可以根據器件的基本熱負荷來設計相應的主動冷卻系統，同時配備相變溫控單元，以便于在瞬時性功率波動時防止器件過熱。如果不添加相變溫控單元，則需要按照最高熱負荷來設計相應的冷卻系統，這無疑會增加其成本和復雜度。比如，可以直接將相變材料集成封裝到芯片當中，以緩沖芯片由于偶爾的功率脈沖帶來的熱沖擊。
相變熱緩沖冷卻技術中最核心的是相變材料，而相變傳熱過程則是相變材料使用過程中為關鍵的環節，相變傳熱能力的好壞直接決定了其溫控性能。熱導率偏低是傳統的相變材料普遍存在的一個問題，石蠟類相變材料的熱導率在0.1~0.3 W/（m·K）量級，無機鹽類相變材料的熱導率在0.4~0.6 W/（m·K）左右，低熱導率嚴重阻礙了相變材料內部的熱量傳遞，從而限制了其熱控性能。近年來，針對這一問題，研究者們提出了一系列強化傳熱措施，包括熱導率增強、增加傳熱面積和提供高導熱路徑，但效果仍然十分有限。
2012年，中科院理化所劉靜研究員團隊提出了低熔點金屬類新型相變材料體系，用于芯片熱沖擊防護和中低溫區間的熱能儲存，其中，芯片或電子器件的熱控應用主要包括智能手機和高密度移動硬盤等間斷性使用的設備。目前已經報道的低熔點金屬相變材料的熱導率多處在10~40 W/（m·K）量級，比傳統的有機或無機相變材料高出了2個數量級，因此其相變熱控能力也遠優于傳統材料，可以更加高效地保障電子器件溫度始終處在允許的范圍內，保證其工作效率、穩定性和壽命。
圖5直觀地展示了采用低熔點金屬相變材料來應對高功率芯片瞬時熱脈沖的溫控效果。假定芯片初始溫度為25 ℃，熱脈沖功率500 W（熱流密度500 W/cm2），熱脈沖時間為40 ms。可以看到，當不采用相變熱緩沖技術時，芯片溫度會在短時間內迅速上升到148 ℃，這可能造成芯片瞬間損壞。當使用傳統的有機相變材料來進行熱緩沖時，由于其熱導率低，熱量在短時間內幾乎無法進入相變材料內部，相變材料幾乎形同虛設，芯片溫度仍然會迅速上升到140 ℃。而當使用金屬相變材料（這里使用的是鎵）時，相變材料扮演了一個冷池的作用，吸收大量潛熱，并將芯片溫度有效控制在69 ℃。
日常生活中的電子產品，包括智能手機、移動存儲設備、Pad、平板電腦、數碼相機等等，均存在一定程度的間歇發熱問題，低熔點金屬相變材料可以有效地解決這一問題，并且可以為這些電子設備向更高的性能和更高的集成度發展提供關鍵的冷卻技術保障。此外，對于一些環境溫度高于或者低于設備或芯片允許溫度范圍的情形，例如深井電子設備和再入飛行器等，設備需要抵抗外界的熱量或冷量，在不便于采取其他主動冷卻技術的情形下，采用基于低熔點金屬相變材料的相變熱控技術是一個很好的解決方案，可以為電子設備提供高效、緊湊、穩定的熱/冷防護。
液態金屬是近年來興起的一大類高性能熱管理材料，基于液態金屬的對流冷卻技術、液態金屬熱界面材料以及基于低熔點金屬相變材料的相變溫控技術等，均在冷卻能力上實現了較傳統冷卻技術量級上的提升，為打破芯片“熱障”難題提供了全新的高性能冷卻技術支撐。通過模擬計算證實了液態金屬在應對極端高熱流冷卻需求方面的優越性和不可替代性，后續將進一步開展相關的冷卻系統設計和實驗測試。可以預見，未來液態金屬高性能冷卻技術將在國防和民用高端電子設備冷卻與熱管理領域發揮越來越重要的作用。
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