液态金属芯片散热技术的兴起

众所周知，金属具有远高于非金属材料的热导率。而芯片一般工作在0℃以上，100℃以下，因此若能将这一温区内处于液体状态的金属作为冷却流体，则可望产生优异的散热性能。正是基于这一考虑，中国科学院理化技术研究所刘静博士于2002年原创性地提出了以低熔点金属或其合金作为冷却流动工质的芯片散热方法［25］，这是在芯片热管理领域中首次引入的全新观念。在这种先进散热技术中，流通于流道内的工质并非常规所用的水、有机溶液或其他功能流体，也不同于传统的高危险性液态金属如水银及钠钾合金材料，而是在室温附近即可熔化的安全无毒的低熔点金属如镓或更低熔点的合金如镓基合金，因而整套装置可做成具有对流冷却方式的纯金属型散热器。由于液态金属具有远高于水、空气及许多非金属介质的热导率（如镓热导率约为水的60倍），且具有流动性，因而可实现快速高效的热量输运能力。此种冷却是一种观念上的根本性突破，改变了人们对于传统液态金属材料的认识，由此开启了液态金属在消费电子冷却领域的大门。这种低熔点液体金属以远高于传统流动工质的热传输能力，最大限度地解决了高密度能流的散热难题。特别是，由于采用了液体金属，散热器的尺寸可显著降低，且易于通过功耗较低的电磁泵驱动，由此可实现整体集成化的微型散热器［26］。而且，由于液态金属冷却工质可从室温到2 300℃均保持液相，不会像水冷或热管散热器那样运行工质易于沸腾蒸发甚至爆炸，因而液态金属冷却适合于极端散热场合［27］。

可以预计，作为一种同时兼有高效导热和对流散热特性的技术，液态金属散热将有望成为新一代十分理想的超高功率密度热传输技术之一。而且，这类散热技术与水冷、热管乃至肋片散热等经典方式的结合（图1-10），可以衍生出更多性价比显著的复合式散热技术，笔者实验室为此系统提出了组合传热学的基本思想［28］。图1-11为笔者团队首创并研制的系列商品化的液态金属CPU散热器和LED远光灯散热器［7］。第三方对比测试表明，液态金属散热器具有优于市面上同类水冷和热管散热器的散热性能。随着今后各类高功率芯片发热密度的持续攀升，传统散热技术趋近极限时，该项技术所能发挥的作用不易为现有技术所代替。不难看出，液态金属散热作为一项底层技术，还可由此引申出更多高效散热器形式，并有可能突破许多高性能芯片器件使用上的技术瓶颈，此领域的发展方兴未艾。

图1-10　组合式冷却系统抽象划分与各环节温度变化示意［28］

（a）冷却系统基本模块抽象划分；（b）一般冷却系统各模块温度变化；（c）热电冷却和蒸汽压缩循环制冷冷却各模块温度变化。

图1-11　液态金属散热器及其与水冷散热器性能对照

（a）系列商用液态金属散热器；（b）液态金属散热器与水冷散热器性能对比。

液态金属芯片冷却在技术理念上显著区别于传统的风冷、水冷及热管等散热技术，是近30年来芯片热管理领域取得的突破性进展，由于其超高热流密度散热及低功耗特性，在芯片及相关行业展示出重大实用价值。常温液态金属冷却技术一经提出，便迅速引起了国内外学者和产业界的广泛关注［7］。2004年，美国Nanocoolers公司获数千万美元资助开展液态金属芯片散热技术研究，并于2005年发布了商用的液态金属CPU散热器，但因其专利晚于中国团队而未获授权，加之技术原因并未在市场上推广应用起来。2009年，美国Aqwest LLC公司开展激光泵浦二极管的液态金属散热技术研究。2010年，美国机械工程师学会会刊《电子封装学报》，将年度唯一最佳论文奖授予笔者实验室关于液态金属冷却装置设计的研究论文［29］，液态金属芯片散热自此得到更为广泛的认识和关注，此后国际上一批研发项目相继设立。2013年，美国阿贡国家实验室研制出加速器中子散射源液态金属散热原型机，将液态金属镓引入冷却系统，取代传统的钠钾合金。2014年，美国国家航空航天局将液态金属冷却技术列为未来前沿研究方向。可以看到，这项诞生并发展于中国的技术已经吸引了美国等科技强国的极大关注，世界各国实验室也纷纷投入力量展开研究，全球范围内的研发活动呈现可喜而快速的增长趋势。

迄今，已有大量国际知名的科学媒体和专业网站相继对液态金属散热技术进行了广泛报道和评论，如Technology Review发表了题为“金属冷却的计算——液态金属是几类终将冷却超快计算机的新技术之一”的文章。Softpedia以“液态金属带来CPU冷却的革命”为题报道了相应散热产品的推进情况。INQUIRER发表了题为“液态金属，PC冷却的下一件大事”的评论。在我国，许多知名科学媒体、产经新闻及专业网站，也以“中国领跑液态金属芯片散热技术研究”等为题进行了报道。

液态金属芯片冷却技术的关键之处在于引入了概念崭新的冷却工质，即在流道内流动的冷却工质并非常规所用的水或其他有机混合流体，而是在室温附近即可熔化的液态金属，这相对于传统液冷方法而言是一个观念性的重大变革。这种低熔点液体金属以显著优于传统流动工质（如水、有机溶液或其他功能流体）的热传输能力，可望最大限度地解决高热流密度的散热难题。(www.xing528.com)

归纳起来，液态金属芯片冷却技术的主要创新点及优势在于：散热器体积紧凑，而散热能力则显著优于现有液冷方法；该技术集肋片散热和对流冷却散热于一体，大大拓展了传统散热方式的散热表面；由于液体金属大功率器件散热器运行时，工质无须大流速，因此噪声极小，而一旦采用电磁驱动后，则噪声可完全消除；该技术还可同时发展为计算机、LED器件、通信基站以及更多军民用高功率发热器件的散热器；大功率器件的集成度将继续攀高，因而发热量会达到更高水平，此时，液体金属散热技术发挥作用的空间越大；采用电磁驱动后，散热系统内无运动机构，因而性能更加稳定可靠。图1-12总结了液态金属冷却与热能传递的应用领域［7］，主要包括：大功率高热流芯片（如高性能计算机、大功率LED、微型投影仪、通信基站等），空间热控，激光芯片及新型清洁能源技术（如聚光太阳能发电、工业废热回收利用、低品位热能回收等）。

图1-12　液态金属冷却与热传输技术应用领域

图1-13　界面热阻与界面温差

液态金属引入大功率器件散热领域是一种底层技术，沿此路线，还可扩充出更多散热方案，例如将液态金属制作成热界面材料［30］可以显著降低芯片与散热器之间的界面热阻（图1-13）。图1-14（a）系笔者团队研发的已经实现产业化的批量生产的液态金属系列热界面材料产品。与此同时，基于实验室液态金属热界面材料的大功率LED路灯已投入实际使用［图1-14（b～c）］。针对部分应用场合要求热界面材料电绝缘的需求，笔者实验室成功研制出了相应的液态金属／硅脂复合热界面材料［31］，攻克了“高导热不导电”这一看似矛盾的技术难题。此外，利用液态金属的固液相变特性还可以发展出显著优于现有相变材料的热控技术［32］，此方面的新兴技术在大量的能源利用和热管理包括各种消费电子如手机［33］的灵巧散热上有重要应用价值。

总的来说，这种旨在解决高端芯片严重受制于“热障”这一世界性难题而提出的液态金属芯片冷却模式，有着重大的观念突破性意义。液态金属芯片冷却技术在高性能芯片及高集成度光电器件的应用上已展示出美好前景，并处于迅速发展之中，此方面技术的产业化具有巨大的发展潜力和市场空间。

图1-14　液态金属系列热界面材料产品及其在LED路灯中的应用

（a）液态金属热界面材料系列产品；（b）、（c）液态金属热界面材料导热冷却的LED路灯。