液态金属的热界面效应分析与优化方案

在芯片封装与冷却技术领域［2］，还有一大类需要关注的问题是界面热阻问题。任意一对相互接触的固体表面，实际上都不是完美的贴合，在微观尺度上，两接触面之间存在大量的空气间隙，如图8.6a所示。由于空气的导热能力很差（热导率0.02 W/m·K），两接触面之间会形成较大的界面温差，这显然不利于降低芯片温度。特别是在热流密度较大时，界面温差效应将非常显著。因此，必须采取有效措施来减小界面热阻和界面温差。

使用膏状的热界面材料来填充接触面的空气间隙是一种有效的方法。目前，市场上常用的热界面材料主要由有机硅脂制成，其最大的不足是热导率较低，一般在0.2W/（m·K）左右，导热能力十分有限。在导热硅脂中添加高导热纳米颗粒可以提升其等效热导率，比如，添加铜或铝纳米颗粒可以使其热导率达到1W/（m·K）左右。据文献报道，添加石墨烯类纳米材料可以使传统热界面材料的等效热导率达到6～8 W/（m·K）。

2012年，笔者实验室发现实现液态金属高黏附性的氧化机制，建立了使用镓基液态金属作为热界面材料的方法［3］。液态金属自身拥有良好的导热能力，比如镓的热导率高达33 W/（m·K），经过一定的氧化制成具有很好黏附性的热界面材料时，其热导率仍然可以维持在15W/（m·K）左右，远高于传统的硅脂材料。此外，通过适当的高导热纳米颗粒掺杂可以进一步获得更高性能的金属热界面材料。

为了直观地说明液态金属热界面材料相比于传统导热硅脂的优势，这里做一个简单的对比。假定芯片与冷板之间的接触界面的表面粗糙度约为100 μm，通过界面的热流密度为500 W/cm2，图8.6b展示了使用不同热界面材料时界面附近的温度分布云图。可以看到，当不使用界面材料时，界面两侧的温差高达76℃（冷端25℃，热端101℃），远超出芯片冷却系统可以接受的范围。使用添加了金属纳米颗粒的导热膏时，可以将界面温差减小到62℃，但仍然较高。即使是使用石墨烯掺杂的导热硅脂，界面温差仍然高达38℃。而当使用液态金属热界面材料时，则可以有效地将界面温差控制在23℃。不难看出，使用高性能液态金属热界面材料对于改善超级芯片界面热阻至关重要。

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图8.6　芯片与冷板之间的界面接触热阻（a），以及热界面材料对接触温差的改善（b）

目前，笔者实验室研发的液态金属系列热界面材料产品已经实现产业化批量生产（图8.7）。针对部分应用场合要求热界面材料电绝缘的需求，还成功研制出了相应的液态金属/硅脂复合热界面材料，攻克了“高导热不导电”这一看似矛盾的技术难题。

图8.7　商用液态金属导热膏与导热片

总体上，液态金属可以作为一种高性能的界面材料，其具有很高的热导率。当前市场上，用作界面材料的液态金属散热贴的热导率已经达到80 W/（m·K），远高于传统的导热硅脂。而且，由于液态金属的柔性、流动性和可塑性，使之能够完美地贴合在材料上，而且挥发性不强、纯金属、无毒、能长时间保持热性能和机械性能。不过，液态金属热界面材料使用时，应明了材料之间的匹配和腐蚀性问题，比如镓基界面材料不能用于铝质界面，两者之间存在腐蚀性，需作特殊处理后才可使用。