极端电子信息散热产业的优化方案

根据 2004年国际电子制造计划技术路线图预测，到 2020 年，高性能微处理器芯片的工作功率将达到360 W，相应的发热密度将高达 190 W/cm2，相当于核反应堆冷却侧的热流密度。事实上，现在微电子工业面临的芯片发热问题比路线图预测的还要严峻，部分高性能芯片的热流密度早已高达 300 W/cm2甚至更高。2012年和 2016年，《Nature》两篇专题报道相继指出，“热障”问题已经成为阻碍计算机芯片向更高性能发展的主要挑战之一，发展高性能芯片冷却技术迫在眉睫。

当代社会是一个信息化社会，电子信息产业已经广泛渗透于社会生活的方方面面，从消费电子终端，如手机、电脑、平板、AR/VR、智能手环，到企业电子信息设备，如服务器、工作站、再到超级计算机。手机行业的产业链涉及芯片、电池、显示器、PCB、摄像头、外壳等模块。以前，散热技术即在电子信息行业属于辅助保障技术，绝大多数手机采用风冷散热和热管散热技术可以满足散热需求，但是随着手机功耗不断提升，传统冷却技术不能满足散热需求，新的散热技术逐渐被用于电子信息产品散热，如华为Mate20采用了“Vapor chamber”技术，魅族16采用了水冷技术。

液态金属用于电子信息行业的建议如下：①个人电脑采用液态金属对流散热技术，降低运行温度；②服务器采用液态金属循环冷却系统，控制系统温度，同时回收低品位热量；③服务器采用水/液态金属双流体冷却系统，提高散热性能，降低成本；④服务器采用低沸点工质/液态金属复合冷却系统，省去泵送装置；⑤服务器采用液态金属刀片散热器，进行模块化控温；⑥摄像头填充液态金属相变微胶囊，应对瞬时热冲击；⑦手机外壳与PCB之间采用液态金属相变材料，既能导热又能储热；⑧芯片与热沉之间采用液态金属热界面材料；⑨电池外包裹一层液态金属相变材料，应对瞬时热冲击；⑩磁场发生器采用液态金属环路通电实现，既能产生磁场又能散热；⑪通信基站密闭空间散热，采用液态金属/石蜡复合相变材料。(www.xing528.com)

航空航天设备在工作过程中，会遭遇高温高速，失重超重，真空条件等物理环境，其面临着严峻的热管理挑战。真空条件会使空气对流散热失效；微重力条件会使流体呈球形，并使气体一直依附在固体表面，阻碍热传递；而高温高速使飞行器表面形成热障，破坏结构表面。因此，空间技术的快速发展，对航天电子设备和元器件提出了大量的高热流密度散热需求。同时，由于其使用环境的特殊性，具有真空、失重、低温、温差大等特点，需要在温度剧烈波动的环境下保持恒定的工作温度，且对散热器有体积和重量上的限制，这些都进一步加大了其散热难度。毫不夸张地说，高性能冷却技术的发展是保障这些器件安全高效工作和向更高性能发展的重要前提。

此方面的典型应用场合如下：①无人机电池，相变传热与无人机电池间歇式使用可以匹配，在电池组间隙中填充液态金属相变材料，在充电和放电的过程中对电池进行过热保护；②太空用LED灯，相变储热技术解决LED灯在太空使用时无法将热量散出的问题，液态金属相变热沉吸收LED灯发光过程中的热量；③高超声速飞行器，液态金属复合防护层解决高超声速飞行器的热障问题；④CCD相机，该相机需要在大温度区间内光学性能保持稳定，为了降低温度对光学镜片质量的影响，采用液态金属相变控温技术；⑤激光高度计，液态金属相变散热用于激光高度计散热；⑥空间电池板，利用相变技术降低空间太阳能电池板在地球阴面和阳面时的温差；⑦太空服，利用液态金属/石蜡复合相变材料使太空服内维持恒定的温度；⑧高温航空发动机，由于水的沸点较低，使用液态金属替代水用于高温航空发动机冷却，有利于实现系统安全稳定运行；⑨核能推进技术，核裂变具有很高的能量密度和反应温度，传统的冷却介质已无法满足冷却需求，而液态金属能够稳定存在；⑩航空电子电路，液态金属相变技术用于航空电子电路散热；⑪热界面材料，传统硅脂类热界面材料在太空中存在放气，老化等缺点，液态金属热界面材料可以扩展并替代此部分市场。