摘要 ：隨著高端芯片不斷向微型化、集成化發(fā)展，其“熱障”問題日益突顯，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(tài)金屬對于突破其“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)在未來超級芯片冷卻領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。
作為一項(xiàng)高科技核心技術(shù)，芯片設(shè)計(jì)與制造是信息技術(shù)領(lǐng)域“皇冠上的明珠”，其難點(diǎn)主要體現(xiàn)在微納加工技術(shù)上?！爸瞥獭笔呛饬啃酒圃旒夹g(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)，減小制程有利于縮小晶體管體積和功耗，提高單個(gè)芯片晶體管數(shù)量，提升計(jì)算效率。目前，市場上主流的高端芯片已經(jīng)采用16 nm，14 nm甚至10 nm技術(shù)。早在2015年，美國IBM公司便已經(jīng)推出了7 nm制程的原型芯片 ；2017年，IBM宣布已經(jīng)突破了5 nm制程的芯片制造技術(shù)，這使得一個(gè)指甲蓋大小的單個(gè)芯片上的晶體管數(shù)量可以高達(dá)300億個(gè)，其計(jì)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(fā)展的趨勢。早在20世紀(jì)60年代，英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾就預(yù)言 ：“半導(dǎo)體芯片上集成的總晶體管數(shù)量每18個(gè)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(fā)展遇到了瓶頸。一方面，大規(guī)模的晶體管集成對制程提出了更高的要求，已經(jīng)瀕臨其技術(shù)極限。另一方面，芯片的高度集成化導(dǎo)致其發(fā)熱問題日益嚴(yán)峻。在芯片的工作過程中，幾乎一半的功率會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量，如果不能將這些熱量及時(shí)散出，將導(dǎo)致芯片的溫度持續(xù)升高。當(dāng)芯片溫度高于一定限值之后，將影響其工作效率、性能、穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)l(fā)安全事故。為保證芯片安全高效的工作，一般應(yīng)將其溫度控制在85 ℃以下。
2004年，國際電子制造計(jì)劃相關(guān)技術(shù)路線圖提出預(yù)測，到2020年左右，高性能芯片的運(yùn)行功率或可達(dá)到360 W，相應(yīng)地，其發(fā)熱熱流密度將高達(dá)190 W/cm2，這已經(jīng)接近于核反應(yīng)堆一回路的熱流密度。事實(shí)表明，高端芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)超出技術(shù)路線圖的預(yù)測，部分高性能芯片工作時(shí)的發(fā)熱熱流密度已達(dá)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(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，急需開發(fā)相應(yīng)的高性能冷卻技術(shù)。
冷卻技術(shù)隨著冷卻需求的提升而不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的空氣自然對流冷卻和空氣強(qiáng)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(shù)，一般可以應(yīng)對熱流密度在10~100 W/m2范圍內(nèi)冷卻需求 ；對于更高熱流密度的芯片冷卻，目前研究的熱點(diǎn)是液冷技術(shù)，特別是以水為工質(zhì)的液冷技術(shù)。盡管水冷技術(shù)的冷卻能力已經(jīng)較傳統(tǒng)技術(shù)有很大的提升，但由于水的熱導(dǎo)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(qiáng)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(shù)可以應(yīng)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(dòng)阻力大、流道容易堵塞等問題，目前還難以應(yīng)用。因此，研究者們一直致力于尋找更加高效的冷卻工質(zhì)和冷卻方法。室溫液態(tài)金屬冷卻技術(shù)正是在這樣的背景下孕育而出，其固有的高熱導(dǎo)率賦予了其優(yōu)異的傳熱能力，因此一經(jīng)提出就備受國內(nèi)外學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，液態(tài)金屬冷卻技術(shù)不斷完善和延伸，形成了其特有的技術(shù)體系，并且還在持續(xù)的快速發(fā)展當(dāng)中。
基于液態(tài)金屬的高性能冷卻技術(shù)主要可以分為三大類：（1）液態(tài)金屬對流冷卻；（2）液態(tài)金屬熱界面材料；（3）液態(tài)金屬相變熱緩沖。在此前的研究中，關(guān)于這些先進(jìn)冷卻技術(shù)已經(jīng)有了大量的報(bào)道，并從理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測試等多方面證實(shí)了其相比于傳統(tǒng)冷卻方式的優(yōu)勢。文中將以千瓦級超級芯片的冷卻問題為例，來說明液態(tài)金屬冷卻技術(shù)在打破傳統(tǒng)工質(zhì)冷卻極限，解決芯片“熱障”難題中發(fā)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(fā)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(tài)金屬微通道冷卻、液態(tài)技術(shù)熱界面材料以及液態(tài)金屬相變熱緩沖技術(shù)在其中起到的關(guān)鍵作用。
液態(tài)金屬是一大類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，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)域帶來了一系列顛覆性變革，是近年來學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。
2002年，中國科學(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），是一類安全無毒的低熔點(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，改變了人們對于傳統(tǒng)液態(tài)金屬材料的認(rèn)識(shí)，并由此開啟了液態(tài)金屬在消費(fèi)電子高端芯片冷卻領(lǐng)域的大門。該技術(shù)已經(jīng)提出，并迅速引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)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(shí)驗(yàn)室以及歐洲原子能實(shí)驗(yàn)室也開展了相關(guān)原型機(jī)研制工作，美國Nanocooler公司和Aqwest LLC公司斥資數(shù)千萬美元用于高性能液態(tài)金屬芯片冷卻技術(shù)的開發(fā)。越來越多的觀點(diǎn)認(rèn)為，液態(tài)金屬開啟了芯片冷卻技術(shù)的全新時(shí)代。
2 液態(tài)金屬微流道冷卻
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)對比。這里給出兩者的主要熱物性對比（見圖1），其中液態(tài)金屬以典型的Ga68In20Sn12合金為例來說明?？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，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，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。
為了定量說明液態(tài)金屬冷卻技術(shù)在超級芯片冷卻領(lǐng)域的優(yōu)勢，這里針對發(fā)熱功率為500 W，大小為1 cm2的超級芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)微流道熱沉對其進(jìn)行對流冷卻。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?？梢钥吹剑谕攘鞯澜Y(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 ℃，說明液態(tài)金屬有能力應(yīng)對超級芯片的極端冷卻需求。
在芯片封裝與冷卻技術(shù)領(lǐng)域，還有一大類需要關(guān)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(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。空氣的 、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(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，這里做一個(gè)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(shí)界面附近的溫度分布云圖如圖4所示?？梢钥吹剑?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)金屬熱界面材料對于改善超級芯片界面熱阻至關(guān)重要。
文中介紹的微小流道對流冷卻技術(shù)是一種針對持續(xù)性發(fā)熱問題的主動(dòng)冷卻技術(shù)，也是目前比較常見的冷卻方法。事實(shí)上，并非所有的芯片冷卻問題都需要進(jìn)行持續(xù)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(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(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圍環(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)防止器件過熱。如果不添加相變溫控單元，則需要按照最高熱負(fù)荷來設(shè)計(jì)相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)，這無疑會(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，而相變傳熱過程則是相變材料使用過程中為關(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)問題，石蠟類相變材料的熱導(dǎo)率在0.1~0.3 W/（m·K）量級，無機(jī)鹽類相變材料的熱導(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，針對這一問題，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，比傳統(tǒng)的有機(jī)或無機(jī)相變材料高出了2個(gè)數(shù)量級，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)金屬相變材料來應(yīng)對高功率芯片瞬時(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?？梢钥吹剑?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)熱問題，低熔點(diǎn)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(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)。
液態(tài)金屬是近年來興起的一大類高性能熱管理材料，基于液態(tài)金屬的對流冷卻技術(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。通過模擬計(jì)算證實(shí)了液態(tài)金屬在應(yīng)對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)一步開展相關(guān)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測試?？梢灶A(yù)見，未來液態(tài)金屬高性能冷卻技術(shù)將在國防和民用高端電子設(shè)備冷卻與熱管理領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。
來源：節(jié)能基礎(chǔ)科學(xué)
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