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2006年第22卷第6期电子机械工程92006.Vol.22No.6Electro-MechanicalEngineering芯片强化散热研究新领域———低熔点液体金属散热技术的提出与发展＊刘静,周一欣(中国科学院理化技术研究所,北京100080)摘要:近年来,高集成度计算机芯片、光电器件等引发的热障问题,已成为制约其持续发展的技术瓶颈之一。围绕这一紧迫现实需求,提出将室温下呈液体状态的低熔点金属或其合金作为冷却流动工质,以发展先进芯片散热器的技术观念,并在相应的理论分析、试验研究及实际器件的研制等方面取得了进展。随后,国外也启动了类似研究,相应进展立即在产业界及学术界产生重要反响。种种态势表明,液体金属芯片散热技术已成为计算机热管理领域内极具探索价值的新前沿。由于液体金属热导率远高于常规流体,因而在传热效果上可望显著优于传统的液冷方法,该方法的建立为发展高性能芯片冷却技术开辟了一条全新的途径。回顾新方法提出的过程,归纳出其中有待解决的一些重要科学问题,并对其应用前景进行展望。关键词:芯片冷却;计算机热管理;低熔点液态金属;强化换热;光电系统;微/纳电子中图分类号:TN305.94;TG115.25文献标识码:B文章编号:1008-5300(2006)06-0009-04NewFrontierinEnhancedChipCoolingItsProposalandDevelopmentofLiquidCoolingMethodUsingLow-melting-pointMetalasCoolantLIUJing,ZHOUYi-xin(TechnicalInstituteofPhysicsandChemistry,TheChineseAcademyofSciences,Beijing100080,China)Abstract:Inrecentyears,the“thermalbarrier”encounteredinahighlyintegratedcomputeroroptoelectronicchiphasbecomeabotlenecktopreventitsfurtherdevelopment.Tosolvethisurgentproblem,weproposedforthefirsttimethetechnicalapproachofusingmetalwithlowmeltingpointoritsaloyasthecoolingfluid,soastodevelopadvancedchipcoolingdevice.Aseriesofprogressoftheoretical,experimentalinvestigationsaswelasfabricationofpracticaldevicesweremade.Atalitlelatertime,similarefortswerealsomadea-broad,whichimmediatelyreceivedintenseatentionsfrombothindustryandacademicfields.Variousevi-dencesindicatethat,theliquidmetalbasedchipcoolingisbecominganewfrontierinthethermalmanage-mentofcomputersystem.Withmuchlargerheatconductivitythanthatofordinaryfluids,theliquidmetalwouldhavesuperiorheattransfercapacityovertraditionalcoolant,whichmayleadtoabrandnewwayformakingadvancedchipcoolingdevice.Inthispapertheprogressofthenewmethodisreviewed,andtheim-portantscientificissuesthusraisedaresummarized.Prospectsfortheapplicationoftheliquidmetalcoolingmethodisalsodiscussed.Keywords:chipcooling;computerthermalmanagement;low-melting-pointliquidmetal;enhancedheattransfer;optoelectronicsystem;micro/nanoelectronics0引言度、减小尺寸及增加时钟频率的趋势发展,“热障”问题因此日益严峻。按照著名的“摩尔定律”推算:计算近年来,计算机、光电芯片一直是朝着提高集成机芯片上的晶体管每18个月翻一番,那么到2010年,芯片上晶体管的数量将突破10亿,此时,芯片耗能和＊收稿日期:2006-07-14基金项目:国家自然科学基金(批准号:50576103,50325622)10电子机械工程第22卷散热问题也凸现出来。实际上,现有AMD桌面Athlon1200MHz产生的热量已达66瓦,一颗Pentium4@2GHz芯片的消耗功率更高达75瓦。由此带来的过高温度将降低芯片的工作稳定性,增加出错率,同时模块内部与其外部环境间所形成的热应力会直接影响到芯片的电性能、工作频率、机械强度及可靠性。事实上,不仅对于计算机芯片,对于大量功率电子设备、光电器件以及近年来发展迅速的微/纳电子机械系统等,都存在着类似的广泛而迫切的散热冷却需要,有的情况下甚至要求更高,比如,一些微系统的热流密度已高达103W/cm2。这些态势都表明,目前对高性能冷却技术的需求已提到了前所未有的层面,相关研究是多个学科领域共同的前沿和关注的重大课题。芯片技术发展对高性能冷却方法的迫切要求与实际应用的广阔空间,使得对超高热流密度芯片、微系统的散热技术研究一直成为国际上异常重要而活跃的研究领域。由美国国防部远景规划项目署(DARPA-De-fenseAdvancedResearchProjectsAgency)资助的大规模研究计划HERETIC(heatremovalbythermo-inte-gratedcircuits),就旨在发展可与高密度高性能的电子或光学器件相集成的固态和流态的散热器件。该项目已历时20余年,有关课题分布在几十所大学和国家研究机构,经费资助总额高达数千万美元。此外,美国联邦政府的其它机构包括海军研究办公室、能源部以及NSF、NASA、NSA等也对这一类研究进行了大范围资助。与此同时,半导体工业界则为此投入了大量财力。学术界、工业界对芯片冷却主题的广泛研究,使得相关的学术活动十分活跃,重要的国际会议包括ITHERM、SEMI-THERM和THERMINIC等。同时,人们在研究的基础上还建立了一批致力于芯片冷却应用技术的公司,如MMR、CoolChips、Cooligy等。而美国许多大学也成立了相应的研究中心,以促进相应技术向应用转化。飞速增长,要求的换热强度越来越高,采用水冷或热管散热的方式已提到日程上来,相应产品相继出现在市场上。液体因单位体积热容远大于气体,作为循环工质能够提供更高的冷却功率,是一种较佳选择。据业界人士分析,液冷可能会成为一个主流。实际上就计算机CPU的散热问题而言,Intel、NEC、松下、日立等国际著名公司新近都推出了基于液冷的散热方案。然而,这类液体冷却虽然效率较高,但在运行中由于工质蒸发或泄露等会导致器件老化、腐蚀,对液体及流动管道的要求较高,可靠性尚有待提高,据报道,有些采用水冷的芯片易于烧毁,原因就在于此类系统尚不可靠,一旦由于某些故障导致水流停止,则失去冷却的芯片温度将迅速攀升,直至烧毁。此外,热管、蒸汽压缩制冷、合成微喷、热电制冷等新方法在一定程度增强了芯片的散热效果,但也各有优缺点。比如,热管是一种被动散热,利用相变传热的冷却方式,可以达到较之单相流体更高的热流转移通量,但热管制做工艺如芯体材料的制备、工质封装、维护及可靠性等仍有待于提高,这使其应用受到一定限制。热电制冷没有运动部件是其最大优点,但因制冷效率过低,系统功耗较大,而且制冷片热端也需增设高效的散热器件,不利于微型化;此外,研究人员也正在考虑热离子冷却或热声制冷,但受工作温区及整机微型化的限制,目前离实用还有距离。人们一直期待有理想的芯片散热方法来适应计算机CPU的高速发展。液体冷却目前是比较理想且可行的芯片散热方式,也因此引起诸多研究人员的重视。为增强液体散热能力,研究人员提出了采用功能流体的做法,将某些高导热率纳米颗粒掺入到流体工质中,期望其换热能力会由于高导热粒子的导热性而得到强化。但是,与金属相比,这种换热能力的提高仍是有限的,且流体流动特性会由于颗粒的掺入而变弱,甚至可能出现老化、腐蚀、变质及堵塞的问题,对工质、颗粒及流动管道的要求较高,此方面的完善仍需做大量工作。1当代芯片散热技术的现状与发展态势2液体金属芯片散热技术的提出与发展当前的技术现状是,各类计算机芯片普遍采用受众所周知,金属具有远高于非金属材料的热导率,迫对流空气来冷却发热器件,即通过扩展肋片,改进气因而在许多特殊场合具有重要用途。而计算机芯片一流分布,增大风压,将冷却空气压送至散热器件表面以般工作在0℃以上,100℃以下,设想若能将这一温区将该处热量散走,此种方式的冷却效率与风扇速度成内处于液体状态的金属作为冷却流体,则可望产生优正比,因而会产生明显噪音;而且一旦微器件发热密度异的散热性能。正是基于这一考虑,我们于2002年提过高时,空气冷却将很难胜任。目前,气冷方式的散热出了以低熔点金属或其合金作为冷却流动工质的计算能力已渐趋极限(100W/cm2),难以适应功耗继续机芯片散热方法。这是在芯片热管理领域中首次引入增加的需要,特别是在如笔记本电脑等便携式设备的的新观念。在这种先进散热技术中,流通于流道内的狭小受限空间中更是如此。随着计算机芯片集成度的工质并非常规所用的水、有机溶液或更多功能流体,而第6期刘静,等:芯片强化散热研究新领域———低熔点液体金属散热技术的提出与发展11是为在室温附近即可熔化的低熔点金属如镓或更低熔点的合金如镓铟等,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。由于液体金属具有远高于水、空气及许多非金属介质的热导率(如镓导热率约为水的60倍,高出空气1000多倍),且具有流动性,因而可实现快速高效的热量输运能力,这相对于已有的散热方式而言是一个实质性的拓展。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,散热器可作得很小且易于通过功耗极低的电磁泵驱动,由此可实现整体集成化的微型散热器。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最理想的超高功率密度热传输技术之一。而且,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,该项技术越能发挥作用。迄今,作者实验室在此领域内拥有多项技术专利,并通过各种驱动方式如蠕动泵及电磁泵等试验论证了液态金属散热方法的优越性。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微型散热器形式,并有可能打破许多光电子芯片器件使用上的技术瓶颈。上述技术近期得到了不少机构的高度重视。美国Nanocooler公司在落后的情况下,也曾提交了同样的专利申请并取得部分进展(其美国和中国专利分别晚于作者实验室2个月、13个月),且在随后的时间内仅在该项技术上就获得高达1千万美元以上的资金投入(相关报道见于著名的华尔街时报文章“Start-upSeesHotAreainPCCooling,byB.Sechler”-Feb.19,2004,TheWalStreetJournal)。2005年11月,作者实验室参加美国机械工程师学术年会(ASME2005IMECE)时,报道了液体金属芯片散热技术的研究,并继而了解到此项由