電磁泵驅(qū)動液態(tài)金屬的芯片散熱研究

供稿|張禧龍 / ZHANG Xi-long

內(nèi)容導(dǎo)讀

隨著芯片的集成度越來越高，散熱問題已成為制約其發(fā)展的主要瓶頸之一。液態(tài)金屬芯片散熱技術(shù)的引入為此打開了新的局面。相比于傳統(tǒng)以水為冷卻介質(zhì)的液冷技術(shù)，液態(tài)金屬冷卻具有更優(yōu)異的散熱性能。此外，由于其導(dǎo)電性，液態(tài)金屬還可以采用完全無運(yùn)動部件的電磁泵進(jìn)行驅(qū)動。而利用電容對電磁泵進(jìn)行供電，可以非常便捷的實(shí)現(xiàn)大電流，從而顯著提升電磁泵的驅(qū)動能力，并有望實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬的射流。那么，電磁泵是如何驅(qū)動液態(tài)金屬的？液態(tài)金屬散熱技術(shù)的優(yōu)勢何在？本文將通過介紹芯片散熱的發(fā)展歷史、液態(tài)金屬的優(yōu)異性能，使人們更好地認(rèn)識液態(tài)金屬，以及它在散熱領(lǐng)域的應(yīng)用。

液態(tài)金屬技術(shù)除了在高功率密度電子芯片、光電器件以及國防領(lǐng)域極端散熱上有著重大應(yīng)用價(jià)值外，還被逐步拓展到消費(fèi)電子、光伏發(fā)電、能量儲存、智能電網(wǎng)、高性能電池、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)以及熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。作為性能卓越的熱管理解決方案，液態(tài)金屬為對流冷卻、熱界面材料、相變熱控等領(lǐng)域帶來了觀念和技術(shù)上的重大變革，突破了傳統(tǒng)冷卻原理的技術(shù)極限，為大量面臨“熱障”問題的器件和裝備的冷卻提供了富有前景的解決方案。

芯片散熱的發(fā)展歷史

近20多年來，隨著微納電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各類光電芯片及器件的集成度得以快速提升[1-2]，由此引發(fā)的“熱障”問題日益嚴(yán)峻，這使得對高性能先進(jìn)冷卻技術(shù)的需求日益旺盛，同時也促成了一場針對傳統(tǒng)散熱或冷卻技術(shù)的變革[3]。以計(jì)算機(jī)CPU為例，其發(fā)熱功率一直呈現(xiàn)一種螺旋上升的趨勢。這一方面是由于不斷提高的晶體管集成度，另一方面也源于不斷改進(jìn)的材料、工藝及封裝結(jié)構(gòu)。常規(guī)芯片由于技術(shù)的進(jìn)步可朝低功耗方向發(fā)展，但高端芯片對更高熱流密度(＞100 W/cm2)的需求是持續(xù)存在的，因?yàn)樗鼜谋举|(zhì)上取決于尖端應(yīng)用對芯片計(jì)算能力的不斷渴求。當(dāng)前，高端CPU技術(shù)無一不經(jīng)受著巨大的散熱挑戰(zhàn)，3D芯片通過晶元的堆疊可以實(shí)現(xiàn)更快的計(jì)算速度，但卻帶來更為嚴(yán)重的熱量堆積和局部熱點(diǎn)問題，而CPU/GPU融合技術(shù)毫無疑問將使單顆芯片產(chǎn)生更高的熱量。因此，高性能的散熱解決方案將始終是未來高端芯片向更高性能邁進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)支撐。

當(dāng)前，翅片風(fēng)冷因?yàn)槠涞统杀竞透叻€(wěn)定性的優(yōu)勢占據(jù)了市場上低功耗芯片散熱場合的絕對主流。然而，隨著芯片發(fā)熱功率的逐漸攀升和局部熱點(diǎn)問題日益凸顯，這種傳統(tǒng)技術(shù)將無法滿足相應(yīng)的散熱需求。為滿足不斷增長的高端芯片的散熱需求，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界發(fā)展了一系列先進(jìn)散熱技術(shù)。下面將對具有代表性的幾類散熱技術(shù)進(jìn)行介紹。

熱管散熱技術(shù)

1963年，美國LosAlamos國家實(shí)驗(yàn)室首次提出一種高效的傳熱元件——熱管，經(jīng)過30多年的發(fā)展，20世紀(jì)90年代熱管技術(shù)開始大規(guī)模應(yīng)用。熱管充分利用了工質(zhì)氣液相變吸熱放熱的性質(zhì)通過熱管可以將發(fā)熱器件的熱量迅速傳遞到散熱翅片，其熱傳導(dǎo)能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。其原理如圖1所示，是目前芯片散熱領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的高性能散熱技術(shù)。其工作過程本質(zhì)上可以概括為相變熱輸運(yùn)和毛細(xì)回流兩部分。由于它依靠內(nèi)部工質(zhì)的氣液相變傳輸熱量，因此具有傳熱能力強(qiáng)的特點(diǎn)，同時工質(zhì)完全為熱驅(qū)動，無須消耗外界能量。

圖1 熱管原理圖

熱管的另一種實(shí)現(xiàn)形式是真空腔均溫板技術(shù)。均溫板為基于熱管原理的衍生產(chǎn)品，其基本結(jié)構(gòu)為內(nèi)壁具有微結(jié)構(gòu)的真空腔體，該類毛細(xì)微結(jié)構(gòu)通?？蔀榕菽~燒結(jié)銅粉、微槽道等。當(dāng)熱量由熱源傳導(dǎo)至蒸發(fā)區(qū)時，腔體內(nèi)的工質(zhì)會在低真空度的環(huán)境中開始發(fā)生液相汽化的現(xiàn)象，此時工質(zhì)吸收熱能且體積迅速膨脹，氣相的工質(zhì)很快充滿整個腔體。當(dāng)氣相工質(zhì)接觸到一個較冷的區(qū)域時將會產(chǎn)生凝結(jié)的現(xiàn)象，依靠凝結(jié)釋放出在蒸發(fā)時累積的熱，凝結(jié)后的液相工質(zhì)會依靠微結(jié)構(gòu)的毛細(xì)現(xiàn)象再回到蒸發(fā)熱源處，此循環(huán)過程將在腔體內(nèi)周而復(fù)始地進(jìn)行。

在當(dāng)前主流芯片發(fā)熱密度情況下(＜10 W/cm2)，熱管因?yàn)槠涓咝阅?、高穩(wěn)定性、較低成本等優(yōu)勢占據(jù)了芯片散熱技術(shù)的主流。然而，隨著熱流密度的持續(xù)升高，熱管不可避免地會面臨其傳熱極限問題。熱管的傳熱極限由黏滯阻力、毛細(xì)能力及沸騰極限等多種物理特性共同決定。一旦需傳遞的熱量超過了熱管傳熱極限，熱管的熱端溫度會迅速升高，甚至產(chǎn)生爆裂危險(xiǎn)。除此之外，熱管工質(zhì)的工作溫度范圍、管材與工質(zhì)的相容性、抗彎折能力也從一定程度上限制了熱管的應(yīng)用范圍。但總的來說，熱管技術(shù)極大地支撐了當(dāng)前高性能芯片技術(shù)的發(fā)展。

水冷散熱技術(shù)

常規(guī)水冷散熱器是市售高端芯片散熱產(chǎn)品中除熱管之外的第二大陣營。同其他散熱方式類似，水冷散熱的傳熱過程也分為兩部分：液體循環(huán)不進(jìn)行熱量搬運(yùn)或展開以及遠(yuǎn)端翅片的空氣冷卻。水冷散熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)靈活多變。同時散熱性能較為優(yōu)秀。在采用大體積的遠(yuǎn)端散熱水排時，水冷散熱器的性能甚至可超越頂級熱管。圖2展示了典型的CPU水冷散熱器及其應(yīng)用情況，此類系統(tǒng)由冷板、水泵、散熱水排及傳輸管道構(gòu)成。值得一提的是，當(dāng)前大多數(shù)水冷散熱器內(nèi)的水冷液體并非純水，而為特殊的具有良好絕緣、抗凍性能的復(fù)合液體。芯片散熱領(lǐng)域的水冷散熱器實(shí)際上代表了常規(guī)液冷這一大類冷卻技術(shù)。

圖2 市售CPU典型應(yīng)用架構(gòu)

水冷散熱器的性能主要取決于冷板內(nèi)的液體對流熱阻和遠(yuǎn)端翅片的空氣對流熱阻。當(dāng)前大多數(shù)水冷散熱產(chǎn)品冷板內(nèi)的液體對流換熱系數(shù)和熱管蒸發(fā)相變換熱系數(shù)相當(dāng)。而遠(yuǎn)端翅片因?yàn)轶w積和成本的限制，目前也和頂級熱管基本持平甚至略小。總的來說，目前水冷技術(shù)在性能上并不顯著優(yōu)于熱管產(chǎn)品(大體積散熱水冷除外)。除了價(jià)格較高，工質(zhì)存在潛在泄露及蒸發(fā)等問題也是水冷技術(shù)的關(guān)鍵瓶頸。要解決此類問題，一方面可從結(jié)構(gòu)著手，比如增加儲備水箱、防漏接頭等部件；另一方面需要從工質(zhì)著手，尋找熱物性更優(yōu)、絕緣同時不易蒸發(fā)泄露的冷卻工質(zhì)。

微通道散熱技術(shù)

微通道散熱方式是近代傳熱領(lǐng)域的重要創(chuàng)新和突破，其機(jī)理在于它采用的極為細(xì)密的流道結(jié)構(gòu)不僅能大幅度增加比換熱面積，同時也減薄了邊界層厚度，有效提高了對流換熱系數(shù)。目前典型的微通道散熱器件水力直徑約為數(shù)十或數(shù)百微米，能承載的熱流密度可高達(dá)100～1000 W/cm2量級，遠(yuǎn)超當(dāng)前大多數(shù)電子器件的熱流極限。

考慮材料熱物性和加工性能，微通道的結(jié)構(gòu)材料一般采用無氧銅或硅，加工途徑可采用光化學(xué)刻蝕、濕刻蝕、線切割或激光切割等方法。驅(qū)動泵是微通道系統(tǒng)的核心部件之一，在微流控芯片領(lǐng)域已經(jīng)對此進(jìn)行了廣泛而深入的研究，典型的微通道驅(qū)動泵包括葉輪泵、壓電泵、電磁泵、電滲泵等。微通道散熱技術(shù)的兩個核心問題在于其流動阻力和傳熱性能的評估。

盡管微通道散熱技術(shù)具有非常高的換熱系數(shù)，但其運(yùn)行阻力大、泵功高，同時在超高熱流密度下也有兩相傳熱失穩(wěn)或惡化風(fēng)險(xiǎn)。近些年，隨著更高密度芯片集成需求，3D芯片技術(shù)逐漸成為高端芯片發(fā)展的重要方向。多塊晶圓的垂直堆疊帶來了尤為棘手的內(nèi)部熱點(diǎn)問題，而微通道則是解決此類問題的有效途徑之一?？偟膩碚f，微通道散熱是一項(xiàng)常重要的技術(shù)，其優(yōu)異的性能確保了其持續(xù)成為高端芯片散熱技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

微噴射散熱技術(shù)

與微通道類似，微噴射也是解決高熱流密度散熱難題的一種典型的高性能散熱技術(shù)。微噴射的特點(diǎn)在于高速的流體沖擊到熱源表面時會在駐點(diǎn)處形成非常薄的邊界層，同時流體的卷吸會產(chǎn)生顯著的紊流，這些效應(yīng)共同作用導(dǎo)致了噴射區(qū)域極高的對流換熱效率(如圖3所示)。

圖3 微噴射散熱技術(shù)原理圖

微噴射技術(shù)非常適合解決熱單點(diǎn)極高熱流密度的散熱問題。目前已有研究采用水作為工質(zhì)，在流速100 m/s的情況下，可以達(dá)到熱流密度40 kW/cm2的散熱能力。除此之外，微噴射技術(shù)的另一項(xiàng)擴(kuò)展應(yīng)用是噴霧冷卻，其通過噴射微液滴到熱源表面蒸發(fā)相變而進(jìn)行散熱。相對于單相微噴射技術(shù)，其冷卻面積更廣，溫度均勻性更優(yōu)。研究表明，單相微噴射冷卻性能主要取決于噴口數(shù)量和出口速度而噴霧冷卻更多地取決于質(zhì)量流量和液滴速度。在相同冷卻能力的情況下，因?yàn)橄嘧儩摕岬膬?yōu)勢，噴霧冷卻能夠消耗更小的質(zhì)量流量。但噴霧冷卻結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，在液滴生成、兩相流穩(wěn)定性方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

熱電冷卻技術(shù)

熱電冷卻是一種基于“珀?duì)柼毙?yīng)的主動制冷方法。典型的熱電元件由多對電學(xué)串聯(lián)、熱學(xué)并聯(lián)的P型/N型半導(dǎo)體電偶對陣列組合而成。當(dāng)電流流經(jīng)電偶對時，P型半導(dǎo)體中的空穴和N型半導(dǎo)體中的電子會朝熱電元件的同一端運(yùn)動，導(dǎo)致能量的定向搬運(yùn)，空穴/電子聚集的一端放熱升溫，而離開的一端吸熱降溫，從而產(chǎn)生制冷效應(yīng)。熱電元件的優(yōu)點(diǎn)在于無機(jī)械運(yùn)動部件、零噪聲、易微型化、壽命長，同時制冷量、冷卻速度、冷卻面均可通過電流靈活調(diào)節(jié)，易實(shí)現(xiàn)恒溫控制，使用方便。

蒸汽壓縮制冷技術(shù)

蒸汽壓縮制冷是民用領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的主動制冷技術(shù)，但直到20世紀(jì)90年代隨著芯片熱管理問題的日益凸顯才逐漸應(yīng)用于電子散熱領(lǐng)域。典型的蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)包含壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流機(jī)構(gòu)和蒸發(fā)器4個基本組件，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于可獲得傳統(tǒng)散熱方式難以達(dá)到的極低冷卻溫度，而且制冷量按需可控。

Thermaltake公司也曾推出一款基于蒸汽壓縮制冷的臺式電腦散熱器Xpressar RCS100(如圖4所示)。其官方網(wǎng)站顯示，該冷卻系統(tǒng)采用R134a作為制冷劑，功耗低于50 W，其熱阻可達(dá)到0.02 ℃/W，遠(yuǎn)低于當(dāng)前市場上的頂級熱管散熱器.

圖4 蒸汽壓縮制冷CPU散熱系統(tǒng)

蒸汽壓縮制冷技術(shù)已相對成熟，但應(yīng)用在高端芯片散熱領(lǐng)域最重要的問題在于壓縮機(jī)的微型化。微型蒸汽壓縮技術(shù)系統(tǒng)具有出色的冷卻能力，但其系統(tǒng)相對復(fù)雜，震動、噪聲、結(jié)露等問題還需要進(jìn)一步克服，同時其成本尚需進(jìn)一步降低。

芯片散熱技術(shù)發(fā)展趨勢

按照熱展開機(jī)理的不同，芯片散熱技術(shù)經(jīng)歷了四代變革。第一代芯片散熱器(翅片風(fēng)冷)主要依靠銅/鋁等金屬的導(dǎo)熱來實(shí)現(xiàn)熱量從局部熱源到翅片散熱面的展開。因?yàn)榻饘俚臒釋?dǎo)率有限，所以在熱源集中時擴(kuò)散熱阻非常明顯，散熱器的熱展開能力存在很大局限。第二代芯片散熱技術(shù)(熱管)以相變吸熱/毛細(xì)回流的熱展開方式，極大提升了散熱器的性能。然而，在高熱流密度情況下，相變熱展開受傳熱極限限制存在性能惡化的問題。第三代芯片散熱技術(shù)(水冷、微通道、微噴等)，采用水的對流換熱來實(shí)現(xiàn)熱展開過程，其典型特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)靈活，熱展開性能優(yōu)越，同時耐極限熱流能力強(qiáng)。

然而，作為第三代高性能芯片散熱技術(shù)，水冷在向更高熱流密度邁進(jìn)時仍然面臨諸多困難和瓶頸。主要原因在于：一方面，水熱導(dǎo)區(qū)低，雖然可通過添加納米顆粒等方法在一定程度上進(jìn)行提升，但在極端熱流密度情況時仍需要高流速或者微通道來提升換熱能力，對驅(qū)動泵要求高；另一方面，水的沸點(diǎn)低，在高熱流/低流速情況下容易發(fā)生沸騰現(xiàn)象，帶來嚴(yán)重的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。

隨著芯片集成度和熱流密度的持續(xù)攀升，亟須發(fā)展第四代先進(jìn)芯片散熱技術(shù)。第四代散熱技術(shù)須具備結(jié)構(gòu)簡單、熱展開性能優(yōu)異、超高的耐極限熱流密度。液態(tài)金屬芯片散熱技術(shù)的提出為發(fā)展第四代芯片散熱技術(shù)帶來了曙光。在單相對流情況下，液態(tài)金屬的對流換熱系數(shù)可以比水高數(shù)個量級。同時，其出色的穩(wěn)定性極大地拓展了散熱領(lǐng)域由水冷所達(dá)到的極限熱流密度。綜合其性能優(yōu)勢，液態(tài)金屬冷卻方法非常有潛力作為芯片散熱領(lǐng)域的第四代散熱技術(shù)。

液態(tài)金屬性能

2014年，中科院理化所劉靜等[1]將液態(tài)金屬散熱技術(shù)應(yīng)用于芯片、光電器件的冷卻。而液態(tài)金屬之所以能作為流動工質(zhì)引入到電子器件散熱技術(shù)中，是因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能：

(1)相比于許多傳統(tǒng)的非金屬流體如水、空氣等，液態(tài)金屬的熱導(dǎo)率更高，故以液態(tài)金屬為流動工質(zhì)的散熱部件能夠搬走更多的熱量，其極限散熱能力也越強(qiáng)。

(2)液態(tài)金屬由于具有較高的電導(dǎo)率，故可用不發(fā)聲、低能耗、無機(jī)械部件的電磁泵來驅(qū)動。

(3)液態(tài)金屬的物理化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定且用完容易處理，不會輕易泄露蒸發(fā)等，是一種可長期、高效使用的安全流動工質(zhì)。

作為流動散熱工質(zhì)，其性能是否優(yōu)異本質(zhì)上取決于流動介質(zhì)的熱物性質(zhì)。目前，鎵基合金的熱物性尤為出色，故成為研究液態(tài)金屬用于芯片散熱技術(shù)時的常用介質(zhì)。表1為鎵基液態(tài)金屬的相關(guān)熱物理性質(zhì)。

(1)熔點(diǎn)。純鎵的熔點(diǎn)略高于室溫，為29.8 ℃，而降低其熔點(diǎn)最有效的方法就是將鎵與其他金屬形成合金，由表1可以看出，鎵基合金的熔點(diǎn)可降低至8 ℃。

表1 典型低熔點(diǎn)鎵基合金

(2)密度ρ、熱容c及導(dǎo)熱系數(shù)k 。液態(tài)金屬的ρ、c、k將決定其傳熱性能的優(yōu)異程度。從表2可以看出，鎵基合金的熱導(dǎo)率是水的近40倍，而體積熱容小于水。液態(tài)金屬作為散熱流體時的綜合性能要優(yōu)于其他非金屬介質(zhì)。

表2 鎵基合金熱物性對比表

除 此 之 外， 液態(tài) 金 屬 的 飽和 蒸汽 壓較 小、表面張 力 大 、 化 學(xué) 性 質(zhì) 穩(wěn) 定 及 無 毒性 都 成 為 液 態(tài) 金 屬作為流 動工 質(zhì)運(yùn) 用到芯片散熱技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢。

電磁泵驅(qū)動液態(tài)金屬

電磁泵是一種不需要任何機(jī)械部件的輸送裝置，但其驅(qū)動的流體需具有高導(dǎo)電性。在實(shí)際應(yīng)用中大多用于輸送具有高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱的液態(tài)金屬，所以稱作液態(tài)金屬電磁泵，簡稱電磁泵。根據(jù)不同流量、輸送介質(zhì)所對應(yīng)的壓差及工作的環(huán)境與性質(zhì)的差異，電磁泵按結(jié)構(gòu)形式、電源類型等的不同，分為如圖5所示的各種形式。

圖5 電磁泵的分類

一般來說，在工作環(huán)境比較苛刻的工業(yè)部門，如冶金、鑄造工業(yè)，常用感應(yīng)式平面泵。因?yàn)楦袘?yīng)式電磁泵不需要專用直流電源，且結(jié)構(gòu)簡單，但效率較低(即單面繞組/雙面繞組)。傳導(dǎo)泵一般效率較高，且因所需電壓較低(1 V左右)，所以即使在高溫情況下絕緣處理也較容易做到，但其結(jié)構(gòu)會變得較復(fù)雜。

由于液態(tài)金屬的高導(dǎo)電性和良好的流動性，在實(shí)際的液態(tài)金屬散熱器之中一般可采用無運(yùn)動部件的電磁泵進(jìn)行驅(qū)動[2]。由于電磁泵僅僅利用了導(dǎo)電流體在磁場下的安培力，電磁泵并不含有任何的運(yùn)動部牛，可靠性高、無噪聲、驅(qū)動壓頭穩(wěn)定。電磁泵是一種驅(qū)動導(dǎo)電流體的泵，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輸出壓力高、無泄漏、體積小、價(jià)格相對低廉等特點(diǎn)，適合小的輸出流量應(yīng)用場合。

電磁泵原理如圖6所示：流道內(nèi)工質(zhì)最初為靜態(tài)的導(dǎo)電流體，并有一段位于z方向永磁體產(chǎn)生的磁場當(dāng)中。

圖6 電磁泵原理示意圖

若此時，在導(dǎo)電流體的左右兩端(圖中A、B處)分別與電源正負(fù)極連通，使得通道內(nèi)導(dǎo)電流體形成如圖所示，方向朝負(fù)y方向的電流。由左手(安培)定則可得：導(dǎo)電流體 液態(tài)金屬受到如圖負(fù)x方向的安培力，三者方向相互 垂直，安培力的大小為F=B×I×L。由于等式中B與L是恒定的，故增大I即可增大安培力，從而獲得流速更高的流體[3]。