電磁泵驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬的芯片散熱研究

池小貴

（深圳市格仕樂科技有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

液態(tài)金屬不僅在國(guó)防極端散熱、光電器件、高功率密度電子芯片等方面具有良好應(yīng)用價(jià)值，還在智能電網(wǎng)、熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換、消費(fèi)電子、能量?jī)?chǔ)存以及光伏發(fā)電等領(lǐng)域中有應(yīng)用。在熱管管理方案中有應(yīng)用，液態(tài)金屬具有卓越性能，其為相變熱控、對(duì)流冷卻以及熱界面材料等方面帶來技術(shù)、觀念等方面重大改革，促使傳統(tǒng)冷卻技術(shù)得到充分突破，為了存在“熱障”隱患的裝備、器件等方面提供良好冷卻方案[1]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

李騰[1]以液態(tài)金屬為散熱介質(zhì)，應(yīng)用在高性能的電子計(jì)算機(jī)芯片冷卻系統(tǒng)中，主要是為了緩解大功率元件出現(xiàn)的熱負(fù)荷加劇現(xiàn)象，使得人們?cè)谝簯B(tài)金屬方面的認(rèn)識(shí)有所改變。現(xiàn)階段基于液態(tài)金屬的散熱系統(tǒng)類型較為豐富，一些實(shí)驗(yàn)室為了有效應(yīng)用液態(tài)金屬，積極分析其原理、總結(jié)其散熱規(guī)律[2]。

仇子鋮等研究了環(huán)形通道中，液態(tài)鈉各種流態(tài)條件下相應(yīng)摩擦系數(shù)[3]。

葛志浩借助直接數(shù)值模擬法，基于浮力效應(yīng)與復(fù)雜流場(chǎng)條件下，液態(tài)鉍鉛合金的湍流換熱機(jī)理進(jìn)行了研究[4]。

趙鑫、李亞與仇子鋮等通過實(shí)驗(yàn)證明，環(huán)形通道的間隙會(huì)嚴(yán)重影響液態(tài)鈉傳熱性能與流動(dòng)性能，熱流密度不會(huì)對(duì)液態(tài)鈉性能產(chǎn)生影響[5]。

1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

GalvánJ等評(píng)價(jià)了液態(tài)金屬與水尾流實(shí)驗(yàn)成本效益[6]。

PyatnitskayaYu N等基于托卡馬克反應(yīng)堆冷卻條件，對(duì)矩形通道在垂直情況下的液態(tài)金屬流動(dòng)性展開了研究[7]。

2 液態(tài)金屬散熱性能優(yōu)勢(shì)

以Z9硅脂、液態(tài)金屬硅脂為對(duì)比對(duì)象，見表1。

表1 熱流密度不同條件下Z9硅脂、液態(tài)金屬硅脂與液態(tài)金屬接觸溫差對(duì)比

通過上表能夠發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬的導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他兩種材料，基于6.67 W/cm2（熱流密度最小值）條件下，液態(tài)金屬測(cè)量溫差在1℃左右，在熱流密度不斷增加過程中，液態(tài)金屬溫差上升率較為緩慢，低于金屬硅脂材料，而Z9硅脂上升率比金屬硅脂材料大。體現(xiàn)出，基于高熱流密度條件下，液態(tài)金屬傳熱性能較為穩(wěn)定性，在熱流密度不斷增加過程中，液態(tài)金屬和Z9硅脂之間差值最值增加。所以，相比于其他兩種材料，液態(tài)金屬在電子器件的散熱性能更加突出。

因?yàn)殡娮悠骷囟润w現(xiàn)出界面材料的導(dǎo)熱性能，所以為了進(jìn)一步研究液態(tài)金屬性能，還需要對(duì)比分析在熱源密度不同情況下，熱源溫度最高值，見表2。

表2 熱流密度不同條件下Z9硅脂、液態(tài)金屬硅脂與液態(tài)金屬接觸溫差對(duì)比

通過上表能夠發(fā)現(xiàn)，在6.67 W/cm2條件下，使用液態(tài)金屬和金屬硅脂之間熱源溫度較為接近，但是在8.33、10 W/cm2條件下，使用液態(tài)金屬熱源溫度明顯低于金屬硅脂材料。所以，通過對(duì)比分析能夠發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬相比于其他兩種材料，散熱性能更加突出，用于芯片散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠充分保證散熱效果。

3 電磁泵驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬的芯片散熱的原理

3.1 液態(tài)金屬的基本性質(zhì)及用于散熱的可行性

（1）業(yè)態(tài)金屬性質(zhì)。以金屬鎵為例，鎵原子量是69.72，原子序數(shù)為31，鎵天然同位素涵蓋種中，即71Ga（豐度是39.6%）與69Ga（豐度是60.4%），涵蓋12種非穩(wěn)定同位素。固態(tài)金屬鎵為淡藍(lán)色、質(zhì)軟性狀，液態(tài)鎵呈現(xiàn)銀白色，表面如鏡，可以浸潤(rùn)玻璃以及其他物體表面，基于有氧條件下，產(chǎn)生低價(jià)氧化鎵物質(zhì)，增加浸潤(rùn)現(xiàn)象，鎵可以快速向一些金屬晶格中擴(kuò)散，基于高溫條件，金屬鎵和鈉、銀、鎂、鎘、鋁、錫等金屬產(chǎn)生合金[8]。

基于常溫條件，金屬鎵較為穩(wěn)定，在溫度超出260℃之后，干燥氧氣能夠讓鎵出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，氧化膜能夠避免鎵繼續(xù)發(fā)生氧化。鎵熔點(diǎn)溫度在29.78℃左右，具有較高的沸點(diǎn)，在2403℃左右。在所有元素中，金屬鎵的區(qū)間最長(zhǎng)。

（2）芯片散熱中液態(tài)金屬可行性。液態(tài)金屬特定時(shí)期具有用于和換熱介質(zhì)的可行性。首先，導(dǎo)熱系數(shù)極大，是傳統(tǒng)工質(zhì)數(shù)十倍以上，例如，基于常溫條件，水的導(dǎo)熱率是0.6 W/（m·k），但是液態(tài)金屬鎵可以達(dá)到30 W/（m·k）。其次，流動(dòng)規(guī)律類似于一般液體，具有較小壓力損失，動(dòng)力黏度接近水黏度。例如，在52℃條件下，液態(tài)鎵動(dòng)力黏度達(dá)到1.89 mP·s，液態(tài)鎵的運(yùn)動(dòng)粘度比水體小。再次，單向流動(dòng)較為健全，可以保證液態(tài)狀態(tài)不易被破壞，比如液態(tài)鎵在手中就能夠熔化。最后，并不會(huì)嚴(yán)重腐蝕材料。

3.2 電磁泵驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬芯片散熱的工作原理

電磁泵運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 電磁泵運(yùn)行原理

對(duì)流換熱方程如下所示：

其中，△t代表冷卻介質(zhì)和熱換面之間溫差，A代表換熱面積，h代表換熱系數(shù)。

強(qiáng)迫對(duì)流換熱，主要是借助h快速排出設(shè)備熱量。

其中，D代表特征尺寸，k代表冷卻介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，Nu代表努賽爾特?cái)?shù)，對(duì)于強(qiáng)迫對(duì)流來講，是Pr（普朗特?cái)?shù)）與Re（雷諾數(shù)）的函數(shù)。

通過式（2）能夠發(fā)現(xiàn)，在冷卻介質(zhì)中，對(duì)流換熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)之間呈現(xiàn)正比關(guān)系，采用液態(tài)金屬進(jìn)行冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就是借助液態(tài)金屬中高導(dǎo)熱系數(shù)充分提高散熱效率。

本研究選擇鎵基合金，主要參數(shù)：固液統(tǒng)計(jì)的變換率不高于0.3%，導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)計(jì)為30 W/（m·K），固化溫度設(shè)計(jì)為-5℃，熔點(diǎn)設(shè)計(jì)為8℃。

4 電磁泵驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬的芯片散熱冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析

4.1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一體式液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)

對(duì)翅片形狀、流速、管道截面以及流道走向等因素進(jìn)行綜合分析，本冷卻系統(tǒng)主要涵蓋以下特點(diǎn)：

（1）選擇一體化集成方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，液態(tài)金屬管道、散熱翅片以及吸熱裝置屬于一體結(jié)構(gòu)，能夠充分減少系統(tǒng)熱阻。采用鑄鋁305建造散熱器基體，選擇鈦合金作為金屬管道材料，內(nèi)徑設(shè)計(jì)為6 mm，外徑設(shè)計(jì)為8 mm。選擇整體鑄造技術(shù)開展制作，鋁散熱翅片和金屬管道采用一體化設(shè)計(jì)，具有較高的傳熱效率。

（2）對(duì)電磁泵安裝部位進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，在電子裝置外部放置電磁泵，防止液體滲漏向設(shè)備內(nèi)部滲透，進(jìn)而引發(fā)PCB短路故障。

（3）對(duì)電磁泵參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，讓其形成的F（洛倫茲力）對(duì)振動(dòng)、加速度以及其他惡劣條件進(jìn)行充分抵抗。見下式：

其中，θ代表磁場(chǎng)和電場(chǎng)之間夾角，L代表液態(tài)金屬的有效寬度，I代表電流強(qiáng)度，B代表磁場(chǎng)強(qiáng)度。

借助電阻發(fā)熱片對(duì)芯片進(jìn)行替代，發(fā)熱片規(guī)格是?30*1 mm，環(huán)境溫度設(shè)計(jì)為27℃，輸入功率設(shè)計(jì)為40 W。在電磁泵開啟以及未開啟時(shí)，借助紅外測(cè)溫設(shè)備與熱電偶對(duì)蓋板、發(fā)熱片的表面溫度進(jìn)行測(cè)試，并分析溫度分布情況，對(duì)采用液態(tài)金屬設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)具體散熱性能進(jìn)行充分掌握。

4.2 系統(tǒng)仿真分析

本冷卻系統(tǒng)具體散熱系統(tǒng)：基于電磁泵作用，液態(tài)金屬會(huì)經(jīng)過芯片中吸熱設(shè)備，熱量由發(fā)熱芯片向較冷液體中傳輸，液體金屬受熱之后向散熱翅片擴(kuò)散，向外部環(huán)境傳遞熱量，并往復(fù)循環(huán)，不間斷消除芯片上的熱量。在此過程中，電磁泵為液態(tài)金屬提供驅(qū)動(dòng)力，充分提高熱量運(yùn)輸穩(wěn)定性。借助Flotherm軟件熱仿真分析冷卻系統(tǒng)的原型機(jī)，發(fā)熱片規(guī)格為發(fā)熱片規(guī)格是?30*1mm，環(huán)境溫度設(shè)計(jì)為27℃，熱耗為40 W，如圖3、圖4所示。

圖3 電磁泵開電后蓋板溫度的分布情況

圖4 電磁泵未開電情況下蓋板的分布情況

通過上述仿真結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，基于電磁泵未開啟情況下，吸熱裝置周邊是蓋板高溫區(qū)域，具有熱量集中問題，溫度最大值為88.7℃，存在較大的溫度梯度，溫差為35.7℃。電磁泵啟動(dòng)之后，液態(tài)金屬能夠持續(xù)向散熱翅片各個(gè)部位均勻傳輸熱量，蓋板溫度最大值減小到78.9℃，充分降低溫度梯度，其右部溫度均勻分布，存在液冷管道的部位溫差最大值為14.5℃，與之前電磁泵未開啟前的溫差減少59%左右。發(fā)熱片的表面溫度從99.3℃減小至86.9℃，減小12.5%[7]。

蓋板溫差與發(fā)熱片溫度減小是因?yàn)橐簯B(tài)金屬在流動(dòng)過程中，把吸熱裝置部位熱量向整個(gè)管道中快速傳遞，管道中熱量向管道翅片中傳導(dǎo)，促使高溫區(qū)域面積增加，提升對(duì)流散熱以及輻射散熱，充分減少外界空氣和發(fā)熱片的熱阻。

4.3 實(shí)驗(yàn)分析

借助實(shí)際熱測(cè)試，對(duì)液態(tài)金屬冷卻裝置散熱性能進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：（1）直流電源。將電流提供給電磁泵，為液態(tài)金屬提供驅(qū)動(dòng)力。（2）電阻發(fā)熱片，對(duì)實(shí)際項(xiàng)目發(fā)熱芯片進(jìn)行替代。（3）數(shù)據(jù)采集儀與熱電偶，主要用于元件表面測(cè)試與采集等工作。（4）紅外熱像儀，主要是測(cè)量散熱系統(tǒng)在熱平衡狀態(tài)下溫度分布狀況。

主要試驗(yàn)內(nèi)容就是電磁泵啟動(dòng)與電磁泵關(guān)閉實(shí)驗(yàn)，此過程確保發(fā)熱片功率與附近環(huán)境條件固定不變，電磁泵未啟動(dòng)前，發(fā)熱片溫度持續(xù)增加，直到溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，之后將電磁泵啟動(dòng)，觀測(cè)發(fā)熱片溫度穩(wěn)定時(shí)狀態(tài)。如圖5所示。

通過圖5能夠發(fā)現(xiàn)，電磁泵啟動(dòng)前，發(fā)熱片表面在97.3℃時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，將電磁泵啟動(dòng)之后溫度迅速減小到88.5℃。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真分析準(zhǔn)確性進(jìn)行了準(zhǔn)確驗(yàn)證，體現(xiàn)出液態(tài)金屬冷卻裝置具有良好均溫與散熱性能。

圖5 電磁泵啟動(dòng)前發(fā)熱片溫度狀況

4.4 典型環(huán)境驗(yàn)證

根據(jù)GJB 150A規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，開展不同環(huán)境條件下實(shí)驗(yàn)分析，科學(xué)制定不同環(huán)境的實(shí)驗(yàn)大綱，同時(shí)依次開展沖擊、振動(dòng)、加速度、鹽霧、濕熱、高低溫運(yùn)行、高低溫貯存以及溫度沖擊等試驗(yàn)，最終結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以滿足上述環(huán)境要求，具有穩(wěn)定的散熱性能，尤其在加速度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，對(duì)各向施加5g加速度，此過程發(fā)熱片溫度并未出現(xiàn)較大波動(dòng)現(xiàn)象，散熱能力穩(wěn)定，體現(xiàn)出加速度并不會(huì)影響電磁泵驅(qū)動(dòng)方式。

5 結(jié)語

通過仿真分析能夠發(fā)現(xiàn)，在啟動(dòng)電磁泵后，發(fā)熱片的表面問題持續(xù)減小，冷卻系統(tǒng)的表面溫度梯度持續(xù)降低，溫度一致性良好，體現(xiàn)出液態(tài)金屬熱量傳輸水平極為突出。同時(shí)因?yàn)殡姶疟脽o運(yùn)動(dòng)，所以可以該冷卻系統(tǒng)性能穩(wěn)定、能耗低、無噪音以及驅(qū)動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。另外，液態(tài)金屬無毒、安全，具有穩(wěn)定的物化性質(zhì)，相比非金屬、空氣與水介質(zhì)熱導(dǎo)率更加突出，能偶充分提高熱量輸運(yùn)效率，提升極限散熱水平。