复合式液态金属热管理技术研究进展
邓月光，张曼曼，姜毅 北京理工大学宇航学院
摘要：液态金属热管理技术是近年来芯片散热领域的一项重要创新。从研究历程来看，液态金属热管理技术经历了两个阶段，分别为纯液态金属系统阶段和复合式液态金属系统阶段。纯液态金属系统阶段主要研究了纯液态金属热管理技术的机理和规律，而复合式液态金属系统阶段则专门针对液态金属的优势，扬长避短，研究了系列实用化的复合式应用器件和系统。本文针对近年来复合式液态金属热管理技术的研究进展进行了总结和展望。文章分别针对基于液态金属流体、液态金属相变材料和液态金属热界面材料的复合式热管理技术进行了总结，对相关的应用系统进行了阐述，并对当前技术挑战和未来发展方向进行了讨论和展望。
关键词：液态金属，热管理，芯片散热，复合式系统
00 引言
随着微纳电子技术的飞速发展，各类光电芯片及器件的集成度快速提升。然而，集成度的提高导致芯片单位面积的发热功率剧增，由此引发的“热障”问题日益严峻，这使得热管理成为高端芯片发展的一个关键技术难题。电子器件的发展趋势是更轻，更薄，更高性能，这也对先进热管理技术提出了更高的要求。
液态金属是近年来热管理领域的重要原始性创新。典型的液态金属热管理材料包括液态金属流体、液态金属相变材料和液态金属热界面材料，与之相对应的应用主要包括流动散热、界面传热和相变蓄热。液态金属流动散热技术的典型特点包括：液态金属流体具有远高于水、空气及许多非金属介质的热导率，因此液态金属流动散热相对传统水冷可实现更加高效的热量运输及极限散热能力；液态金属沸点高，不易蒸发，不易泄露，安全无毒，物化性质稳定，极易回收，能承受 600~1000ºC 高温，可以保证散热系统的高效、长期、稳定运行。液态金属界面传热技术得益于低熔点液态金属超高的热导率，当其填充在传热界面时，不仅界面热阻小，同时无有机物挥发，不会出现传统界面材料发干性能恶化的问题，性能更稳定，寿命更长，这使得其在计算机芯片以及各种大功率军民用电子设备、光电器件等先进设备中，能展现出高效的散热能效和出色的稳定性，保证了电子器件稳定可靠工作。液态金属相变材料的最大特点在于其导热率高，相比传统有机和无机相变材料高出一个数量级，这意味着更高的传热效率和响应速度。同时液态金属相变材料密度较大，这使得其单位体积的相变潜热大，即储能密度大、结构紧凑，利于器件的微型化。正因如此，金属相变材料近年来在激光、雷达和军工热控领域备受关注。
经过了近 20 年的发展，液态金属热管理技术从发展趋势来讲经历了两个阶段，分别为纯液态金属系统阶段和复合式液态金属系统阶段。纯液态金属系统阶段主要研究了纯液态金属热管理技术的机理和规律，而复合式液态金属系统阶段则专门针对液态金属的优势，扬长避短，研究了系列实用化的复合式应用器件和系统。本文主要针对近年来复合式液态金属热管理技术的研究进展，进行了当前技术总结和未来趋势展望。
01 液态金属热管理的优势和劣势
一般而言，金属具有远高于非金属材料的热导率。基于此，中国科学院理化技术研究所刘静团队于 2002年原创性地提出了以低熔点液态金属作为冷却工质的芯片散热方法，并陆续构建了从材料、器件到应用的液态金属热管理技术体系。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，因此液态金属最突出的优势在于极为高效的热量传导和输运能力。同时，液态金属沸点超过 2000ºC，耐高温，无毒，稳定可靠，不存在传统工质蒸发沸腾的风险。因此，在极端高热流密度芯片热管理领域，液态金属兼具高性能和高稳定性，可高效解决高温/高热流密度散热难题。目前，国内外学者已在液态金属热管理领域开展了大量从材料、机理到器件及系统的基础研究，内容涉及液态金属材料物性、液态金属对流传热、液态金属电磁泵驱动、液态金属均温系统、液态金属热界面材料及液态金属相变蓄热系统等。这些应用都基于三种典型的液态金属材料，分别为液态金属流体、液态金属相变材料和液态金属热界面材料。表 1 列出了三类典型液态金属与常规流体的热物理性质对比。
表 1 典型液态金属与水的热物理性质对比
液态金属对流冷却是液态金属热管理技术在芯片散热领域的首次尝试。液态金属对流应用于芯片热管理领域的主要原因之一在于其具有优异的换热性能。实验证明，液态金属在 0.1m/s 常规流动情况下对流换热系数即可超过15000W/(m2·K)，超过同样工况下水冷 5 倍左右，同时其还可采用无机械运动部件的电磁泵驱动，零噪音，低能耗，非常适合芯片散热领域应用。而这一切都归功于液态金属优异的热物理性质，如镓导热率约为水的 60 倍，因而在相同条件下可以显著提升对流换热系数，从而达到更优的热量输运能力。另外，由于液态金属电导率高，其可通过无机械运动部件的电磁泵驱动，不仅零噪音，而且能耗低，因此可实现集成化的微型散热器件，可望在超高功率密度微纳电子领域发挥重要作用。然而，与水等常规冷却介质对比，液态金属作为流动散热工质的劣势在于其比热容较小，其质量热容仅为水的 1/10 左右。因此，在较低流速下，液态金属自身温升较快，导致对流换热能力减弱。这种情况下，液态金属系统的流量设计非常重要，是决定其散热性能的重要因素。另外，液态金属流动散热系统当前实际应用的最大问题在于其价格相对常规冷却介质高。一般而言，镓基合金的成本达到 1000 元/公斤。因此，对于常规消费电子领域，如何优化设计降低成本是液态金属流动散热大规模应用的关键问题。
液态金属热界面材料是一种具有高热导率、耐高温的高端界面材料。相对传统材料，其优势主要有：热导率高，接触热阻小，用于光电芯片热管理领域性能优势明显。此外，因为液态金属热界面材料不含有机物，因此其可耐 400 ºC 以上高温，无有机物挥发性能衰减问题，性能稳定，寿命长。但是，液态金属作为界面材料的劣势在于其易导电性，若工作时出现溢出，可能会引发短路问题。
金属相变材料主要包括镓基合金和铋基合金，主要应用于电子工业，其熔点范围一般为从室温到 200ºC 以内。金属类相变材料最大的特点在于其热导率高，相比有机和无机相变材料高出近两个数量级。高的热导率意味着良好的传热性能和高响应速率。正因如此，低熔点液态金属相变材料近年来在电子工业，如激光器、雷达和航空热控领域备受关注。液态金属相变材料热导率一般超过 15W/(m·K)，单位体积相变潜热一般在200~600kJ/L 左右。因此，不仅吸热快，而且吸热量多，适用于热流密度高，体积紧凑的热管理场合。但液态金属相变材料的劣势在于单位重量的相变潜热比较小，一般只有 20~80kJ/kg。因此，要达到一定的吸热能力，材料的重量比较重。此外，金属相变材料一般吸热快，但对空气释放热量比较慢，单次循环使用时间较长，这在一定程度上限制了其普及应用，特别是在需要频繁工作的场合。
从上面描述可以看出，液态金属散热作为一种新兴的热管理技术，其优势明显，但也存在一些劣势。为此，为追求性价比更优的液态金属热管理技术，刘静等提出了液态金属复合传热学的概念。其基本思想是将散热系统分为 5 个部分：热源、热量提取环节、热量传输环节、热量释放环节及周围环境，如图 1 所示。根据不同散热技术的优势和劣势，扬长避短，将液态金属模块和传统热管理模块有机地组合到一起，形成具有高适应性、高性价比的复合式热管理系统。下文主要针对近年来复合式液态金属热管理技术的研究进展，进行了当前技术总结和未来趋势展望。
图 1 热管理系统模块划分与各环节温度变化
（a）冷却系统模块划分，（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
02 液态金属对流复合式系统
液态金属对流系统因为其超高性能、零噪音、低能耗等优点，已在电子散热领域中进行了系列研究和应用，代表性应用领域包括计算机芯片、LED、光伏电池、消费电子等。其研究方向主要集中在两方面：一是提升性能，包括纳米液态金属流体、液态金属微通道、热驱动液态金属冷却等；二是降低成本，主要是采用复合式系统来减少液态金属充注量，进而降低系统成本。事实上，从工业应用角度来说，降低成本是液态金属系统真正大规模使用的最关键因素。
深入剖析液态金属系统的传热过程可知，冷板处的液态金属对流是保证系统极高散热性能的关键，而此处液态金属的充注量一般较小。与此相反的是，远端空气散热器具有最高的液态金属充注量，但此处的散热热阻主要取决于空气对流，液态金属对流换热对系统散热性能影响并不大。为此，笔者团队提出了一种液态金属/水复合式液冷散热系统。该系统包括前端的液态金属循环和后端的水冷循环。在两路循环中间，利用微型换热器进行液态金属到水的热量交换。热流密度高的冷板处采用液态金属进行对流换热，性能优异。同时，热流密度低的远端散热器处借助水向空气散热，降低成本。研究表明，这种液态金属/水复合式散热系统兼具液态金属对流高性能和水冷系统低成本的优势，是一种具有极高实用价值的液冷方案。实验研究表明，液态金属/水复合式散热系统的散热能力相对纯粹液态金属系统只略微下降，但液态金属充注量可由44.8ml减少到11.8ml，工质成本由大幅度降低了 70%左右。同时，增加的换热器热阻在整个复合式系统热阻中所占的比例低于 10%。
芯片热流密度越高，液态金属/水复合式散热系统性价比优势越明显。另外，液态金属/水复合式散热系统另一个显著优势在于可以通过电磁泵来对芯片温度进行无极调节，这对于数据中心芯片阵列应用场景非常重要。因为芯片阵列不仅要求对单个芯片能进行有效的冷却，而且要求多个芯片具有优异的温度均匀性。液态金属/水复合式散热系统中电磁泵具有散热性能无级调节的优点，非常适合解决多芯片温度均匀性问题。笔者团队研究了针对热流密度为 200W/cm2 的四颗芯片阵列的液态金属复合式冷却系统。该系统具有液态金属和水两级循环冷却结构，第一级为 4 路并行液态金属循环将 4 颗模拟芯片热量传递至集中的液态金属/水换热器，然后由第二级水冷系统进行散热。两级循环冷却系统可根据热源位置和空间要求灵活布置。驱动泵方面，第一级多路并行液态金属循环系统装备多个独立电磁泵，以实现各热源温度独立调节和群控功能；第二级水冷系统设计独立的机械微泵，驱动水循环将热量传递至远端水排，并最终散失至环境空气中。
图 2 液态金属对流复合式系统
（a）原理图（b）实物图（c）热阻分布（d）200W/cm2 情况下系统温度
图 2（d）展示了在热流密度200W/cm2情况下，散热系统中热源温度、冷板温度及液态金属温度的变化情况，其中水循环水温由冷水机控制为恒定的 20°C。从图可以看出，在 200W/cm2的高热流密度水平下，液态金属具有出色的对流换热能力，热源温度可控制在 70°C 以内，散热系统运行稳定。在这种情况下，电磁泵的输入电流为 5A，功耗约为 0.06W，四路电磁泵可通过 PID 控制器无极调节，控制芯片阵列的温差低于 2°C。
总体而言，液态金属复合式冷却系统优势总结如下：
（1）性能优异。基于液态金属超高的对流换热能力，冷板处液态金属流动可高效解决高热流密度芯片散热难题。
（2）温度均匀性优。基于电磁泵的无极调节能力，各热源温度可灵活调控，芯片阵列温度均匀性优。
（3）成本较低。采用的液态金属与水冷结合的两级式换热方式可有效降低成本。对于热流密度大的芯片区域，液态金属能达到优异的散热性能，同时充注量小；对于热流密度小的远端散热器区域，采用水冷极大降低了液态金属充注量和成本。
（4）实施灵活。本系统由两级液冷组成，系统实施灵活。总体而言，液态金属复合式系统单一冷却系统性价比优异很多，在多芯片阵列领域具有较高的应用价值，可望在计算机、激光泵浦源、数据中心等高热流密度热管理领域发挥重要作用。
03 液态金属热界面复合式系统
电子散热领域对热界面材料的核心要求为高热导率、安全、稳定。目前，热界面材料目前主要有两种：导热硅脂和导热垫片。然而，总的来说，当前工业界大规模使用的硅基热界面材料性能均不甚优秀，以至于高热流密度芯片散热系统中接触热阻甚至可占系统总热阻的 50%以上。这种情况下，接触面传热已成为整个散热系统的关键瓶颈。导致这一问题的主要原因在于主流的热界面材料均以有机硅化合物为基础材料，热导率本身较低，一般都在 10 W/(m·K)以下。
液态金属热界面材料是对传统热界面材料的一项突破性革新，这种以纯金属为基材的热界面材料具有远超传统硅基热界面材料的传热能力，热导率可达传统热界面材料的 5-10 倍。虽然具备优异的散热性能，但长期以来影响液态金属大规模使用存在两大问题：其一为液态金属流动性好，难以涂抹；其二为液态金属电导率高，可能存在溢出短路风险。2012 年，高云霞等开创性地提出了适量氧化方法，一举解决了困扰液态金属热界面材料长期以来的表面张力大，粘附性差，难以涂抹的难题。因此，液态金属溢出短路问题成为制约其大规模应用的关键瓶颈。为解决此问题，Lin 等设计了硅胶密封圈结构来防止液态金属溢出，同时 Huang 等通过多层材料采用铟来吸收熔化的液态金属也是一种有效办法。但是，这两种方法未经过批量测试，目前仍然未进入实用阶段。
图 3 (a)-(e)复合式液态金属导热硅脂搅拌制备过程，(f)硅油，液态金属和复合式硅脂展示，(g)-(i)液态金属，硅油和复合式硅脂在铜板上的涂覆，(j) 复合式液态金属导热硅脂制备原理
事实上，通过复合式热管理方法可以提供较为实用的方案。梅生福等将低熔点液态金属和传统硅油混合分散，得到了一种导热性能优异但不导电的复合导热硅脂，如图 3 所示。由于液态金属在硅油中呈微米级分散状态，因此复合式导热硅脂微观上导电，宏观上绝缘。这种复合式导热硅脂的热导率可达到 5.27 W/(m·ºC)，粘度为 760 Pa·s，电阻率为 1.07×107 Ω·m。另外，复合式导热硅脂的腐蚀性也得以大幅度降低。其适应性相对于传统纯液态金属硅脂大大提升，现在已在一些绝缘强度要求不高的低压电子领域应用。
另一种从结构角度进行的应用创新为，根据器件传热过程，在热流密度高，绝缘要求低的区域采用液态金属硅脂；在热流密度低，绝缘要求高的区域采用传统硅基硅脂。例如，针对台式机 CPU，可以在晶圆和顶盖之间使用液态金属硅脂，但在顶盖和散热器之间使用传统硅脂，如图 4 所示。一方面，晶圆位置热流密度大，且顶盖内部绝缘比较好处理；另一方面，顶盖外部热流密度小，采用传统硅脂在保证散热性能的同时可避免短路问题。这种典型的复合式应用方式，尽可能发挥了液态金属的优势，又避免了其劣势，是一种实用、可大规模推广的应用方式。
图 4 （a）CPU 开盖后（b）涂抹液态金属导热硅脂
04 液态金属相变复合式系统
液态金属相变储能材料是一种纯金属固液相变材料，基于其随温度变化而发生的固液相变过程，可实现高效的热量吸收和释放，达到温度调控目的。液态金属相变材料相对于传统的石蜡等烷烃类相变材料，其一方面单位体积相变潜热大，吸热能力强；另一方面，其热导率高，传热迅速，热响应快，能有效控制发热器件温度。基于液态金属优异的热导率和相变潜热，其可广泛应用于移动电子、航空航天、军用武器等存在脉冲发热现象的系统中。
图 5 液态金属相变吸热板（a）安装图（b）实物图
目前，国内外学者已开展了系列基于液态金属相变材料的散热器件的研究工作。最具代表性的为应用于脉冲发热芯片的散热器，如图 5 所示。其基本原理为：芯片发热时，直接通过液态金属相变材料固液相变，吸收发热芯片的热量。由于液态金属热导率高、相变潜热大，所以吸热迅速，且器件体积较小。图 5 中 PCB 板尺寸为 160×100mm，其上发热芯片为 4 颗，总功率 61.5W。相变吸热板紧贴发热芯片利用螺栓紧固，与 PCB 板形成一个整体可插拔结构。该相变吸热板吸热迅速，可支撑发热芯片工作 3 分钟。但吸热后因为采用风冷散热，需要 80 分钟液态金属温度才能降下来，用于下一次吸热。因此，纯液态金属相变吸热板仅适用于单次工作系统，如弹载芯片散热，不适合需要频繁工作的场合，如激光等领域。
图 6 （a）基于水冷的复合式相变吸热板（b）基于风冷和水冷的相变吸热板多次吸放热的温度图
为解决此问题，笔者团队设计了基于水冷的复合式相变吸热板，其内设置水冷流道，如图 6（a）所示。芯片工作时，依靠高性能相变材料快速吸收芯片热量；芯片停止工作时，由水冷循环快速的将相变材料的热量带走，相变材料凝固，从而能继续下一次相变吸热过程。图 6（b）比较了基于风冷和基于水冷的相变吸热板多次吸放热的温度图，可以看出，基于风冷的相变吸热板两次吸热动作之间的时间间隔约 80 分钟，而基于水冷的相变吸热板在放热段温度能快速降低，两次吸热动作之间的时间间隔可以缩短至 9 分钟。因此，基于水冷的复合式相变吸热板可以更加高效的支持脉冲发热器件的工作，提高工作频次和效率。此外，一旦器件工作频率增加，相变材料的热导率非常重要。相变吸热器件的响应速率一方面取决于外在的散热能力，另一方面也取决于内在的传热速率。因此，基于水冷和液态金属相变材料的相变吸热板是一种非常优异的复合式相变散热方法。其不仅吸热量大，同时响应速率快，能支持脉冲发热器件高频工作。
05 挑战和展望
近二十年来，液态金属热管理技术受到了国际学术界的广泛关注，并在工业界得到了初步的应用，逐渐形成了液态金属流动散热、液态金属界面传热、液态金属相变吸热三大技术体系。从发展趋势来讲，液态金属热管理技术从最初的学术研究正逐渐向产业应用过渡。当前，影响液态金属大规模应用的瓶颈主要在如下两方面。
（1）成本。液态金属的成本相对传统导热材料更高，典型的液态金属导热材料成本可比传统材料高一个量级。
（2）工程应用问题。代表性问题包括：液态金属低温凝固问题；液态金属腐蚀问题；液态金属导电问题；液态金属相变体积膨胀问题等。
要解决上述问题，一方面是从液态金属材料本身着手，比如研制成本更低，熔点更低，体积膨胀系数更低的低熔点合金。另一方面则是从复合式技术出发，将液态金属技术与传统导热材料和器件进行结合，优劣互补，形成在特定领域具有显著优势的解决方案。值得探索的应用方向列举如下。
（1）液态金属/水复合式液冷方案。系统性能优异，同时可显著降低液态金属成本，适用于高热流密度散热、余热回收、太阳能热利用等领域。
（2）液态金属/热管复合传热方案。液态金属可提高系统整体传热能力，同时可解决低温时液态金属凝固系统启动问题，适用于消费电子，如笔记本电脑、甚至折叠屏手机等。
（3）液态金属/传统导热垫片复合方案。采用传统高热导率导热材料封装液态金属，形成“夹心式”导热垫片，可兼具高热导率和压缩率，适用于计算机、通信等电子领域。
（4）液态金属/传统相变材料复合方案。采用膨胀率相反的液态金属材料和传统相变材料复合，可实现零膨胀系数，同时热导率高的相变吸热器件，适用于激光、航空热控领域。
06 总结
液态金属是近年来兴起的一类高性能热管理材料，基于液态金属流体、液态金属热界面材料、液态金属相变材料的复合式系统在散热性能、器件成本和场景适应性方面较传统冷却技术和纯液态金属系统均实现了显著提升，给大量面临“热障”难题的器件和装备带来了全新的冷却方案。相对纯液态金属系统，复合式液态金属系统专门针对液态金属的优势，扬长避短，通过与传统散热模块进行有效集成，可实现更加实用化的复合式散热系统。系列研究已证实了复合式液态金属热管理系统在应对极端高热流密度冷却需求方面的优越性，同时部分实用化系统已经在工业界逐渐应用。由此可以预见，随着液态金属技术的快速发展及其与传统技术的有机融合，未来复合式液态金属高性能冷却技术将在国防和工业高端电子设备热管理领域发挥越来越重要的作用。
