關鍵詞：TIM熱界面材料，散熱技術，液體金屬，導電材料，膠粘技術

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。

液態金屬の紹介（一）

一

液態金屬の簡介

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。

二

液態金屬微留道冷卻

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。

圖1 液態金屬（Ga68In20Sn12）與水（20 ℃）主要物性對比

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。

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

三

液態金屬熱界面材料

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。

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。

圖4 熱界面材料對接觸溫差的改善

四

液態金屬（低熔點金屬）相變熱緩沖技術

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。

五

結語

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。
來源：節能基礎科學/TM熱管理

作者：周宗和1 宋楊2 楊小虎3 柯志武3

1.海裝駐武漢地區第三軍事代表室

2. 中國船舶集團有限公司科技部

3.武漢第二 船舶設計研究所熱能動力技術重點實驗室

液態金屬の紹介（二）

關鍵詞：高導熱TIM材料，液態金屬，國產高端材料

導語：熱管理器件界面層的熱設計，已經成為系統熱設計的關鍵，會直接影響器件溫度、性能和使用壽命。熱設計工程師需要處理熱沖擊下產品的的穩定性、操作便利性和綜合性價比。純金屬系列的相變片，依托液體金屬基材的導熱特性，常溫下呈液體狀態可流動，具有沸點高導電性強、熱導率高、可相變的特性，以及極低的界面接合厚度，已成為業界“熱界面材料”頂級熱性能材料解決方案之一。

一

什么是液態金屬？

液態金屬是指一種不定型、可流動液體的金屬，液態金屬可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。液態金屬成形過程及控制，液態金屬充型過程的水力學特性及流動情況充型過程對鑄件質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，都是在液態金屬充型不利的情況下產生的。正確地設計澆注系統使液態金屬平穩而又合理地充滿型腔，對保證鑄件質量起著很重要的作用。單質中只有水銀是液態金屬，鎵、銣、銫是低熔點金屬。液態金屬是一大類多金屬合金功能材料，在常溫、常壓下呈液體狀態，可流動，具有沸點高、導電性強、熱導率高等特點。其制造工藝不需要高溫冶煉，環保無毒，可廣泛用于工業、電子、航天、醫療等領域。

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

液態金屬的特征

液態金屬在砂型中流動時呈現出如下水力學特性：

1.粘性流體流動：液態金屬是有粘性的流體。液態金屬的粘性與其成分有關，在流動過程中又隨液態金屬溫度的降低而不斷增大，當液態金屬中出現晶體時，液體的粘度急劇增加，其流速和流態也會發生急劇變化。

2.不穩定流動：在充型過程中液態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定狀態。隨著液流溫度下降，粘度增加，流動阻力也隨之增加；加之充型過程中液流的壓頭增加或減少，液態金屬的流速和流態也不斷變化，導致液態金屬在充填鑄型過程中的不穩定流動。

3.多孔管中流動：由于砂型具有一定的孔隙，可以把砂型中的澆注系統和型腔看作是多孔的管道和容器。液態金屬在“多孔管”中流動時，往往不能很好地貼附于管壁，此時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：生產實踐中的測試和計算證明，液態金屬在澆注系統中流動時，其雷諾數Re大于臨界雷諾數Re，屬于紊流流動。

三

液態金屬的應用

熱管理器件界面層的熱設計，已經成為系統熱設計的關鍵，會直接影響器件溫度、性能和使用壽命。熱設計工程師需要處理熱沖擊下產品的的穩定性、操作便利性和綜合性價比。純金屬系列的相變片，依托液體金屬基材的導熱特性，常溫下呈液體狀態，可流動，具有沸點高、導電性強、熱導率高、可相變的特性，以及極低的界面接合厚度，已經成為業界“熱界面材料”頂級熱性能材料解決方案之一。液態金屬是一大類多金屬合金功能材料，在常溫、常壓下呈液體狀態，可流動，具有沸點高、導電性強、熱導率高等特點。其制造工藝不需要高溫冶煉，環保無毒，可廣泛用于工業、電子、航天、醫療等領域。

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