用于芯片冷卻的新材料

（本文編譯自Electronic Design）

在人工智能芯片算力密度持續(xù)攀升、高功率電子器件小型化趨勢日益顯著的當下，散熱技術(shù)已成為制約硬件性能釋放的核心瓶頸。

傳統(tǒng)被動散熱方案在應對超高熱流密度時，逐漸暴露出效率不足、穩(wěn)定性有限等問題，難以滿足新一代芯片的嚴苛散熱需求。在此背景下，如何通過材料創(chuàng)新突破蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應用局限，成為科研人員與產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的焦點。

在為處理器等高發(fā)熱器件散熱時，設計人員可選擇多種被動散熱方案，包括熱管、真空腔均熱板（與熱管原理同源，但存在關(guān)鍵差異）、散熱器、導熱連接件、均熱片以及蒸發(fā)冷卻技術(shù)。

當然，將熱量導出僅是散熱難題的一部分。所謂“導出”，只是把熱量轉(zhuǎn)移到不易造成即時損害的位置，并未從根本上解決熱量問題。被動式導熱方案的優(yōu)勢十分突出，這類方案可適配發(fā)熱器件周邊的狹小空間，且具備極高的運行可靠性。

近期，加州大學圣地亞哥分校的研究人員研發(fā)出了一種新型散熱材料，有望大幅提升被動蒸發(fā)冷卻技術(shù)的能源利用效率。

新型材料驅(qū)動蒸發(fā)冷卻效率躍升

蒸發(fā)冷卻的原理并非全新概念。該技術(shù)被生物體廣泛應用，人類憑借直覺對其加以利用的歷史已長達數(shù)千年；自19世紀起，科研界便已從宏觀與微觀雙重維度，對其展開系統(tǒng)性的科學研究與模型構(gòu)建，阿爾伯特?愛因斯坦亦曾圍繞這一主題發(fā)表國數(shù)篇具有奠基意義的論文（見圖1）。目前，蒸發(fā)冷卻技術(shù)已被廣泛集成于各類散熱系統(tǒng)中，既可以作為獨立的散熱方案，也可成為空調(diào)、冷卻器等大型系統(tǒng)的重要組成部分。

圖1：蒸發(fā)冷卻的基本原理是利用物質(zhì)在液氣相變及逆相變過程中的熱容變化實現(xiàn)散熱。

為何需要更高效的散熱技術(shù)？如今以人工智能為核心的處理器運行時會產(chǎn)生大量熱量，這已是業(yè)界共識。當前，先進CPU及GPU芯片的最大熱流密度遠超50W/cm。例如，英偉達的Hopper芯片專為人工智能應用設計，在814mm2的芯片面積上，其熱設計功耗高達700W，對應的熱流密度為86W/cm。

而且，并非只有人工智能領(lǐng)域存在對強效局部散熱的迫切需求，諸多其他發(fā)熱器件的熱流密度也已超過100W/cm。舉例而言，高功率發(fā)光二極管芯片的熱流密度可達100W/cm；高功率射頻器件在芯片層面的熱流密度突破1kW/cm；氮化鎵高電子遷移率晶體管的單個柵極區(qū)域熱流密度超過1MW/cm；泵浦激光器的腔面光功率密度更是達到10MW/cm。

加州大學圣地亞哥分校研發(fā)的這項技術(shù)，其核心是一種經(jīng)特殊工藝設計的纖維膜，可通過蒸發(fā)作用實現(xiàn)被動散熱。該技術(shù)采用低成本纖維膜材料，其內(nèi)部布滿相互連通的微孔結(jié)構(gòu)，能夠借助毛細作用將冷卻液吸附并延展至膜的整個表面。

當冷卻液在纖維膜表面蒸發(fā)時，即可高效帶走下方電子器件產(chǎn)生的熱量，且整個過程無需額外消耗能源。這種纖維膜被鋪設在電子器件上方的微流道結(jié)構(gòu)之上，吸附流經(jīng)流道的冷卻液，進而實現(xiàn)高效散熱（見圖2）。

圖2：研究人員對蒸發(fā)原理加以改進，并在微觀層面進行技術(shù)升級，以滿足熱點區(qū)域的傳熱需求。

已有諸多應用場景借助內(nèi)部或外部蒸發(fā)作用實現(xiàn)散熱。包括三星、蘋果在內(nèi)的部分智能手機機型，便將該原理應用于均熱板散熱技術(shù)，這是一種基于蒸發(fā)冷卻原理的密封腔體式散熱方案。

蘋果公司甚至專門制作了一支一分鐘廣告來宣傳這項技術(shù)，廣告中不僅提及該技術(shù)，還以字幕形式向觀眾分享了一個小知識點：其17及17 Pro系列智能手機搭載的“蒸汽冷卻”技術(shù)，可在保持機身低溫的同時，支持設備以最高性能模式運行。

相較于單相散熱系統(tǒng)，液-氣相變過程中產(chǎn)生的巨大相變潛熱能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的散熱，同時具備更出色的穩(wěn)定性，無滯后效應；當采用被動毛細驅(qū)動流體流動時，所需的泵送功率可大幅降低，甚至可忽略不計。與沸騰散熱不同，基于蒸發(fā)作用的散熱系統(tǒng)能夠提供更可控、更高效的傳熱機制，尤其適用于高功率應用場景。

技術(shù)原理解析

薄膜蒸發(fā)在固（受熱表面）、液、氣三相交匯的區(qū)域效率最高。該區(qū)域的厚度通常不足1μm，既能降低液體側(cè)的熱阻，又能提供充足的附著力，保障液體分子高效蒸發(fā)。

但這一高效蒸發(fā)區(qū)域的長度極短，僅有約100nm，僅占彎液面整體的極小部分。因此，要實現(xiàn)高通量蒸發(fā)，就必須依托多孔結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)可提供更大的表面積，從而擴大整體蒸發(fā)面積。

對于由獨立納米孔構(gòu)成的納米多孔膜而言，毛細驅(qū)動蒸發(fā)的熱流密度存在兩項理論極限，分別由兩種機制決定，即動力學極限與毛細極限。動力學極限對應液-氣彎液面處能夠逸出的最大蒸汽通量，其主要受控于液體分子脫離液-氣界面的速率，該速率可通過聲速，以及經(jīng)多孔結(jié)構(gòu)放大的薄膜蒸發(fā)彎液面有效面積進行估算。

毛細極限則對應液體的最大質(zhì)量通量，由納米孔內(nèi)粘性阻力與毛細驅(qū)動力的平衡關(guān)系決定，其大小取決于液體在多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳輸效率及汽化潛熱。理論臨界熱流密度（CHF）的取值為這兩項極限中的較小值。

此前的理論與數(shù)值研究表明，對于平均孔徑在數(shù)百納米范圍內(nèi)的納米多孔膜，上述極限值可突破5kW/cm。在該孔徑區(qū)間內(nèi)，毛細壓力可達100kPa以上，為液體高效傳輸與高速蒸發(fā)提供了必要的驅(qū)動力。

然而，將蒸發(fā)冷卻技術(shù)有效應用于高功率電子器件仍面臨諸多阻礙。此前采用多孔膜的嘗試——盡管多孔膜的高表面積本就適配蒸發(fā)過程——均以失敗告終，原因在于其孔徑設計存在缺陷：孔徑過小易引發(fā)堵塞，孔徑過大則會誘發(fā)非預期的沸騰現(xiàn)象。

加州大學圣地亞哥分校的新型材料方案

在分析了現(xiàn)有薄膜性能難以達到理論值的潛在原因后，研究人員研發(fā)出一種具備互聯(lián)孔隙結(jié)構(gòu)的多孔纖維膜。

這款玻璃纖維膜的平均水力孔徑介于3.2至11.4μm之間，其核心優(yōu)勢在于擁有相互連通的孔隙結(jié)構(gòu)，可助力流體（液體與蒸汽）輸送至膜結(jié)構(gòu)內(nèi)的所有區(qū)域。若某一條流體通道因雜質(zhì)或缺陷發(fā)生堵塞，流體可通過其他備選通道繞行，從而避免少數(shù)通道堵塞導致實際應用中的臨界熱流密度下降。

該設計能夠?qū)崿F(xiàn)高效蒸發(fā)，同時規(guī)避上述缺陷。研究團隊開發(fā)的高效蒸發(fā)器采用具有三維互聯(lián)孔隙的纖維膜，專門用于解決傳統(tǒng)孤立孔隙薄膜存在的堵塞問題與局部熱點問題。

該設計在0.5cm2的加熱區(qū)域內(nèi)，實現(xiàn)了超過800W/cm2的超高臨界熱流密度，創(chuàng)下了新紀錄（見圖3），在同等尺寸的毛細驅(qū)動蒸發(fā)器中性能表現(xiàn)最為優(yōu)異。

圖3：研究人員對這款纖維膜展開評估，測試了其在0.5cm2加熱區(qū)域內(nèi)的臨界熱流密度（CHF）性能表現(xiàn)。

測試結(jié)果顯示，該纖維膜具備出色的長期穩(wěn)定性，能夠在高熱流密度條件下，持續(xù)實現(xiàn)薄膜蒸發(fā)超過兩小時。通過高速成像技術(shù)還進一步驗證了纖維膜卓越的液體鋪展能力，成像結(jié)果表明，液體的橫向與縱向鋪展速度，與最終實現(xiàn)的臨界熱流密度數(shù)值存在顯著相關(guān)性。

除了亮眼的熱學性能外，研究人員表示，經(jīng)力學性能表征測試證實，這類纖維膜兼具成本低廉、易于規(guī)模化生產(chǎn)的特點，同時具備良好的機械柔韌性與結(jié)構(gòu)強度。

在算力需求與硬件集成度不斷提升的未來，如加州大學圣地亞哥分校研發(fā)的多孔纖維膜這類兼顧高性能與實用性的散熱材料，不僅將推動芯片散熱技術(shù)的迭代升級，更將為人工智能、射頻通信、激光器件等領(lǐng)域的硬件創(chuàng)新提供關(guān)鍵支撐，助力高功率電子器件在更小空間內(nèi)釋放更大潛能。