TIM液態(tài)金屬的熱管理技術(shù)及應(yīng)用

關(guān)鍵詞：TIM熱界面材料，散熱技術(shù)，液體金屬，導(dǎo)電材料，膠粘技術(shù)

摘要：隨著高端芯片不斷向微型化、集成化發(fā)展，其“熱障”問(wèn)題日益突顯，已經(jīng)成為阻礙芯片向更高性能發(fā)展的重要挑戰(zhàn)，發(fā)展新型的高性能冷卻技術(shù)迫在眉睫?；谝簯B(tài)金屬的對(duì)流冷卻技術(shù)、液態(tài)金屬熱界面材料以及基于低熔點(diǎn)金屬相變材料的相變溫控技術(shù)等，均在冷卻能力上實(shí)現(xiàn)了較傳統(tǒng)冷卻技術(shù)量級(jí)上的提升，給大量面臨“熱障”難題的器件和裝備的冷卻帶來(lái)了全新的解決方案。以千瓦級(jí)超級(jí)芯片為例，探討液態(tài)金屬對(duì)于突破其“熱障”難題起到的關(guān)鍵作用，并試圖推動(dòng)液態(tài)金屬先進(jìn)冷卻技術(shù)在未來(lái)超級(jí)芯片冷卻領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

液態(tài)金屬の紹介（一）

一

液態(tài)金屬の簡(jiǎn)介

液態(tài)金屬是一大類(lèi)室溫或更高一些溫度附近呈液態(tài)的金屬材料。液態(tài)金屬具有導(dǎo)熱率高，導(dǎo)電性強(qiáng)，流動(dòng)性好，易于實(shí)現(xiàn)固液相轉(zhuǎn)換等諸多優(yōu)勢(shì)，在熱控與能源、先進(jìn)增材制造、生物醫(yī)學(xué)以及柔性智能機(jī)器等多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了一系列顛覆性變革，是近年來(lái)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。2002年，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所劉靜原創(chuàng)性地提出將室溫液態(tài)金屬引入到高性能計(jì)算機(jī)芯片冷卻當(dāng)中。這里所說(shuō)的液態(tài)金屬，不同于傳統(tǒng)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(lèi)安全無(wú)毒的低熔點(diǎn)金屬材料，熔點(diǎn)在室溫附近。將室溫液態(tài)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(duì)于傳統(tǒng)液態(tài)金屬材料的認(rèn)識(shí)，并由此開(kāi)啟了液態(tài)金屬在消費(fèi)電子高端芯片冷卻領(lǐng)域的大門(mén)。該技術(shù)已經(jīng)提出，并迅速引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，美國(guó)國(guó)家宇航局將其列為未來(lái)十大前沿研究方向之一，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及歐洲原子能實(shí)驗(yàn)室也開(kāi)展了相關(guān)原型機(jī)研制工作，美國(guó)Nanocooler公司和Aqwest LLC公司斥資數(shù)千萬(wàn)美元用于高性能液態(tài)金屬芯片冷卻技術(shù)的開(kāi)發(fā)。越來(lái)越多的觀點(diǎn)認(rèn)為，液態(tài)金屬開(kāi)啟了芯片冷卻技術(shù)的全新時(shí)代。

二

液態(tài)金屬微留道冷卻

基于液態(tài)金屬的微小流道冷卻技術(shù)被認(rèn)為是一種解決高熱流芯片冷卻難題的有效方案。提到液態(tài)金屬冷卻，不得不將其與傳統(tǒng)水冷做一個(gè)對(duì)比。這里給出兩者的主要熱物性對(duì)比（見(jiàn)圖1），其中液態(tài)金屬以典型的Ga68In20Sn12合金為例來(lái)說(shuō)明?？梢钥吹?，液態(tài)金屬占據(jù)很寬的液相工作溫區(qū)，從十幾攝氏度熔點(diǎn)到兩千多攝氏度的沸點(diǎn)之間始終處于液態(tài)。液態(tài)金屬的比熱容比水低一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(dá)到水的一半。流動(dòng)屬性方面，液態(tài)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(dòng)性。液態(tài)金屬的熱導(dǎo)率比水高2個(gè)數(shù)量級(jí)，到達(dá)39 W/（m·K），因此其傳熱換熱能力遠(yuǎn)高于水。此外，液態(tài)金屬擁有良好的導(dǎo)電性，可以采用電池泵驅(qū)動(dòng)技術(shù)，具有安靜高效穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。

圖1 液態(tài)金屬（Ga68In20Sn12）與水（20 ℃）主要物性對(duì)比

為了定量說(shuō)明液態(tài)金屬冷卻技術(shù)在超級(jí)芯片冷卻領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，這里針對(duì)發(fā)熱功率為500 W，大小為1 cm2的超級(jí)芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)微流道熱沉對(duì)其進(jìn)行對(duì)流冷卻。假定冷卻工質(zhì)的入口溫度均為25 ℃，流量均為2 L/min。通過(guò)數(shù)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?？梢钥吹?，在同等流道結(jié)構(gòu)和流動(dòng)條件下，采用微通道水冷時(shí)芯片的最高溫度高達(dá)131 ℃，超出了其可承受范圍。當(dāng)使用液態(tài)金屬作為冷卻工質(zhì)時(shí)，則可以將芯片溫度有效控制在96 ℃，說(shuō)明液態(tài)金屬有能力應(yīng)對(duì)超級(jí)芯片的極端冷卻需求。

圖2 液態(tài)金屬微通道冷卻與水冷性能對(duì)比 （熱流密度：500 W/cm2，流體流量：2 L/min）

三

液態(tài)金屬熱界面材料

在芯片封裝與冷卻技術(shù)領(lǐng)域，還有一大類(lèi)需要關(guān)注、的問(wèn)題是界面熱阻問(wèn)題。在任意一對(duì)相互接觸的固體表 、面，實(shí)際上并不是完美的貼合。在微觀尺度上，兩接觸 、面之間實(shí)際上存在大量的空氣間隙，如圖3所示?？諝獾?、熱導(dǎo)率僅為0.02 W/（m·K），嚴(yán)重阻礙了兩界面之間的 、傳熱，接觸界面之間產(chǎn)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(shí)，界面溫差效應(yīng) 、將非常顯著。因此，必須采取有效措施來(lái)減小界面熱阻 、和界面溫差。

圖3 芯片與冷板之間的界面接觸熱阻 使用柔軟的界面材料來(lái)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(chǎng)上常用的熱界面材料主要由有機(jī)硅脂制成，其最大的不足之處在于熱導(dǎo)率較低，一般只有0.2 W/（m·K）左右，因此其導(dǎo)熱能力也十分有限。在導(dǎo)熱硅脂中添加高導(dǎo)熱納米顆?？梢蕴嵘涞刃釋?dǎo)率，比如，添加銅或鋁納米顆?？梢允蛊錈釋?dǎo)率到達(dá)1 W/（m·K）左右。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，添加石墨烯類(lèi)納米材料可以使傳統(tǒng)熱界面材料的等效熱導(dǎo)率達(dá)到6~8 W/（m·K）。

2012年，中科院理化所劉靜研究員團(tuán)隊(duì)提出了使用鎵基液態(tài)金屬作為熱界面材料的方法。液態(tài)金屬自身就擁有很好的導(dǎo)熱能力，比如鎵的熱導(dǎo)率高達(dá)33 W/（m·K），經(jīng)過(guò)一定的氧化制成具有很好的黏附性的熱界面材料時(shí)，其熱導(dǎo)率仍然可以維持在15 W/（m·K）左右，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的硅脂材料。此外，適當(dāng)?shù)母邔?dǎo)熱納米顆粒摻雜可以進(jìn)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(jì)算中，界面材料實(shí)際上已經(jīng)默認(rèn)采用了液態(tài)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(gè)可以接受的范圍內(nèi)。為了直觀地說(shuō)明液態(tài)金屬熱界面材料相比于傳統(tǒng)導(dǎo)熱硅脂的優(yōu)勢(shì)，這里做一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)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(guò)界面的熱流密度為500 W/cm2，使用不同的熱界面材料時(shí)界面附近的溫度分布云圖如圖4所示?？梢钥吹?，當(dāng)不使用界面材料時(shí)，界面兩側(cè)的溫差高達(dá)76 ℃ （冷端25 ℃，熱端101 ℃），遠(yuǎn)超出芯片冷卻系統(tǒng)可以接受的范圍。使用添加了金屬納米顆粒的導(dǎo)熱膏時(shí)，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(dǎo)熱硅脂，界面溫差仍然高達(dá)38 ℃。而當(dāng)使用液態(tài)金屬熱界面材料時(shí)，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(tài)金屬熱界面材料對(duì)于改善超級(jí)芯片界面熱阻至關(guān)重要。

圖4 熱界面材料對(duì)接觸溫差的改善

四

液態(tài)金屬（低熔點(diǎn)金屬）相變熱緩沖技術(shù)

文中介紹的微小流道對(duì)流冷卻技術(shù)是一種針對(duì)持續(xù)性發(fā)熱問(wèn)題的主動(dòng)冷卻技術(shù)，也是目前比較常見(jiàn)的冷卻方法。事實(shí)上，并非所有的芯片冷卻問(wèn)題都需要進(jìn)行持續(xù)性冷卻。針對(duì)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(shù)更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。相變熱緩沖冷卻技術(shù)是一種被動(dòng)式的冷卻技術(shù)，它利用相變材料在其固液相變過(guò)程中可以吸收大量潛熱而其溫度保持恒定的原理來(lái)防止芯片在工作過(guò)程中過(guò)度發(fā)熱。當(dāng)芯片停止工作后，相變材料將吸收的熱量釋放到周?chē)h(huán)境當(dāng)中并發(fā)生凝固，為抵抗下一次熱沖擊做好準(zhǔn)備。

此外，對(duì)于一些存在瞬時(shí)性功率波動(dòng)的器件或設(shè)備，相變熱緩沖技術(shù)可以作為一種輔助的溫控手段。在熱設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)器件的基本熱負(fù)荷來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的主動(dòng)冷卻系統(tǒng)，同時(shí)配備相變溫控單元，以便于在瞬時(shí)性功率波動(dòng)時(shí)防止器件過(guò)熱。如果不添加相變溫控單元，則需要按照最高熱負(fù)荷來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)，這無(wú)疑會(huì)增加其成本和復(fù)雜度。比如，可以直接將相變材料集成封裝到芯片當(dāng)中，以緩沖芯片由于偶爾的功率脈沖帶來(lái)的熱沖擊。

相變熱緩沖冷卻技術(shù)中最核心的是相變材料，而相變傳熱過(guò)程則是相變材料使用過(guò)程中為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，相變傳熱能力的好壞直接決定了其溫控性能。熱導(dǎo)率偏低是傳統(tǒng)的相變材料普遍存在的一個(gè)問(wèn)題，石蠟類(lèi)相變材料的熱導(dǎo)率在0.1~0.3 W/（m·K）量級(jí)，無(wú)機(jī)鹽類(lèi)相變材料的熱導(dǎo)率在0.4~0.6 W/（m·K）左右，低熱導(dǎo)率嚴(yán)重阻礙了相變材料內(nèi)部的熱量傳遞，從而限制了其熱控性能。近年來(lái)，針對(duì)這一問(wèn)題，研究者們提出了一系列強(qiáng)化傳熱措施，包括熱導(dǎo)率增強(qiáng)、增加傳熱面積和提供高導(dǎo)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(tuán)隊(duì)提出了低熔點(diǎn)金屬類(lèi)新型相變材料體系，用于芯片熱沖擊防護(hù)和中低溫區(qū)間的熱能儲(chǔ)存，其中，芯片或電子器件的熱控應(yīng)用主要包括智能手機(jī)和高密度移動(dòng)硬盤(pán)等間斷性使用的設(shè)備。目前已經(jīng)報(bào)道的低熔點(diǎn)金屬相變材料的熱導(dǎo)率多處在10~40 W/（m·K）量級(jí)，比傳統(tǒng)的有機(jī)或無(wú)機(jī)相變材料高出了2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此其相變熱控能力也遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)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(nèi)，保證其工作效率、穩(wěn)定性和壽命。

圖5直觀地展示了采用低熔點(diǎn)金屬相變材料來(lái)應(yīng)對(duì)高功率芯片瞬時(shí)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(shí)間為40 ms。可以看到，當(dāng)不采用相變熱緩沖技術(shù)時(shí)，芯片溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速上升到148 ℃，這可能造成芯片瞬間損壞。當(dāng)使用傳統(tǒng)的有機(jī)相變材料來(lái)進(jìn)行熱緩沖時(shí)，由于其熱導(dǎo)率低，熱量在短時(shí)間內(nèi)幾乎無(wú)法進(jìn)入相變材料內(nèi)部，相變材料幾乎形同虛設(shè)，芯片溫度仍然會(huì)迅速上升到140 ℃。而當(dāng)使用金屬相變材料（這里使用的是鎵）時(shí)，相變材料扮演了一個(gè)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(chǎn)品，包括智能手機(jī)、移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備、Pad、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)等等，均存在一定程度的間歇發(fā)熱問(wèn)題，低熔點(diǎn)金屬相變材料可以有效地解決這一問(wèn)題，并且可以為這些電子設(shè)備向更高的性能和更高的集成度發(fā)展提供關(guān)鍵的冷卻技術(shù)保障。此外，對(duì)于一些環(huán)境溫度高于或者低于設(shè)備或芯片允許溫度范圍的情形，例如深井電子設(shè)備和再入飛行器等，設(shè)備需要抵抗外界的熱量或冷量，在不便于采取其他主動(dòng)冷卻技術(shù)的情形下，采用基于低熔點(diǎn)金屬相變材料的相變熱控技術(shù)是一個(gè)很好的解決方案，可以為電子設(shè)備提供高效、緊湊、穩(wěn)定的熱/冷防護(hù)。

五

結(jié)語(yǔ)

液態(tài)金屬是近年來(lái)興起的一大類(lèi)高性能熱管理材料，基于液態(tài)金屬的對(duì)流冷卻技術(shù)、液態(tài)金屬熱界面材料以及基于低熔點(diǎn)金屬相變材料的相變溫控技術(shù)等，均在冷卻能力上實(shí)現(xiàn)了較傳統(tǒng)冷卻技術(shù)量級(jí)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(shù)支撐。通過(guò)模擬計(jì)算證實(shí)了液態(tài)金屬在應(yīng)對(duì)極端高熱流冷卻需求方面的優(yōu)越性和不可替代性，后續(xù)將進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)液態(tài)金屬高性能冷卻技術(shù)將在國(guó)防和民用高端電子設(shè)備冷卻與熱管理領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
來(lái)源：節(jié)能基礎(chǔ)科學(xué)/TM熱管理

作者：周宗和1 宋楊2 楊小虎3 柯志武3

1.海裝駐武漢地區(qū)第三軍事代表室

2. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司科技部

3.武漢第二 船舶設(shè)計(jì)研究所熱能動(dòng)力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

液態(tài)金屬の紹介（二）

關(guān)鍵詞：高導(dǎo)熱TIM材料，液態(tài)金屬，國(guó)產(chǎn)高端材料

導(dǎo)語(yǔ)：熱管理器件界面層的熱設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，會(huì)直接影響器件溫度、性能和使用壽命。熱設(shè)計(jì)工程師需要處理熱沖擊下產(chǎn)品的的穩(wěn)定性、操作便利性和綜合性?xún)r(jià)比。純金屬系列的相變片，依托液體金屬基材的導(dǎo)熱特性，常溫下呈液體狀態(tài)可流動(dòng)，具有沸點(diǎn)高導(dǎo)電性強(qiáng)、熱導(dǎo)率高、可相變的特性，以及極低的界面接合厚度，已成為業(yè)界“熱界面材料”頂級(jí)熱性能材料解決方案之一。

一

什么是液態(tài)金屬？

液態(tài)金屬是指一種不定型、可流動(dòng)液體的金屬，液態(tài)金屬可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。液態(tài)金屬成形過(guò)程及控制，液態(tài)金屬充型過(guò)程的水力學(xué)特性及流動(dòng)情況充型過(guò)程對(duì)鑄件質(zhì)量的影響很大可能造成的各種缺陷，如冷隔、澆不足、夾雜、氣孔、夾砂、粘砂等缺陷，都是在液態(tài)金屬充型不利的情況下產(chǎn)生的。正確地設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)使液態(tài)金屬平穩(wěn)而又合理地充滿型腔，對(duì)保證鑄件質(zhì)量起著很重要的作用。單質(zhì)中只有水銀是液態(tài)金屬，鎵、銣、銫是低熔點(diǎn)金屬。液態(tài)金屬是一大類(lèi)多金屬合金功能材料，在常溫、常壓下呈液體狀態(tài)，可流動(dòng)，具有沸點(diǎn)高、導(dǎo)電性強(qiáng)、熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)。其制造工藝不需要高溫冶煉，環(huán)保無(wú)毒，可廣泛用于工業(yè)、電子、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域。

Liquid metal is a large class of multi-metal alloy functionalmaterials, which is liquid state and has flowabilityat room temperatureand normal pressure. It has high boiling point, strong electrical conductivity,high thermal conductivity and other characteristics. The manufacturing processdoes not need high temperature smelting. It is environmentaland non-toxic,which can be widely used in industry, electronics, aerospace, medical and otherfields.

二

液態(tài)金屬的特征

液態(tài)金屬在砂型中流動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)出如下水力學(xué)特性：

1.粘性流體流動(dòng)：液態(tài)金屬是有粘性的流體。液態(tài)金屬的粘性與其成分有關(guān)，在流動(dòng)過(guò)程中又隨液態(tài)金屬溫度的降低而不斷增大，當(dāng)液態(tài)金屬中出現(xiàn)晶體時(shí)，液體的粘度急劇增加，其流速和流態(tài)也會(huì)發(fā)生急劇變化。

2.不穩(wěn)定流動(dòng)：在充型過(guò)程中液態(tài)金屬溫度不斷降低而鑄型溫度不斷增高，兩者之間的熱交換呈不穩(wěn)定狀態(tài)。隨著液流溫度下降，粘度增加，流動(dòng)阻力也隨之增加；加之充型過(guò)程中液流的壓頭增加或減少，液態(tài)金屬的流速和流態(tài)也不斷變化，導(dǎo)致液態(tài)金屬在充填鑄型過(guò)程中的不穩(wěn)定流動(dòng)。

3.多孔管中流動(dòng)：由于砂型具有一定的孔隙，可以把砂型中的澆注系統(tǒng)和型腔看作是多孔的管道和容器。液態(tài)金屬在“多孔管”中流動(dòng)時(shí)，往往不能很好地貼附于管壁，此時(shí)可能將外界氣體卷入液流，形成氣孔或引起金屬液的氧化而形成氧化夾渣。

4.紊流流動(dòng)：生產(chǎn)實(shí)踐中的測(cè)試和計(jì)算證明，液態(tài)金屬在澆注系統(tǒng)中流動(dòng)時(shí)，其雷諾數(shù)Re大于臨界雷諾數(shù)Re，屬于紊流流動(dòng)。

三

液態(tài)金屬的應(yīng)用

熱管理器件界面層的熱設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，會(huì)直接影響器件溫度、性能和使用壽命。熱設(shè)計(jì)工程師需要處理熱沖擊下產(chǎn)品的的穩(wěn)定性、操作便利性和綜合性?xún)r(jià)比。純金屬系列的相變片，依托液體金屬基材的導(dǎo)熱特性，常溫下呈液體狀態(tài)，可流動(dòng)，具有沸點(diǎn)高、導(dǎo)電性強(qiáng)、熱導(dǎo)率高、可相變的特性，以及極低的界面接合厚度，已經(jīng)成為業(yè)界“熱界面材料”頂級(jí)熱性能材料解決方案之一。液態(tài)金屬是一大類(lèi)多金屬合金功能材料，在常溫、常壓下呈液體狀態(tài)，可流動(dòng)，具有沸點(diǎn)高、導(dǎo)電性強(qiáng)、熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)。其制造工藝不需要高溫冶煉，環(huán)保無(wú)毒，可廣泛用于工業(yè)、電子、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域。

高端游戲機(jī)；

服務(wù)器；

電競(jìng)筆記本電腦；

路由器；

汽車(chē)大燈；

車(chē)載電子；

通信基站等......

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