电磁泵驱动液态金属的芯片散热研究

池小贵

（深圳市格仕乐科技有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

液态金属不仅在国防极端散热、光电器件、高功率密度电子芯片等方面具有良好应用价值，还在智能电网、热点转换、消费电子、能量储存以及光伏发电等领域中有应用。在热管管理方案中有应用，液态金属具有卓越性能，其为相变热控、对流冷却以及热界面材料等方面带来技术、观念等方面重大改革，促使传统冷却技术得到充分突破，为了存在“热障”隐患的装备、器件等方面提供良好冷却方案[1]。

1 国内外研究现状

1.1 国内研究现状

李腾[1]以液态金属为散热介质，应用在高性能的电子计算机芯片冷却系统中，主要是为了缓解大功率元件出现的热负荷加剧现象，使得人们在液态金属方面的认识有所改变。现阶段基于液态金属的散热系统类型较为丰富，一些实验室为了有效应用液态金属，积极分析其原理、总结其散热规律[2]。

仇子铖等研究了环形通道中，液态钠各种流态条件下相应摩擦系数[3]。

葛志浩借助直接数值模拟法，基于浮力效应与复杂流场条件下，液态铋铅合金的湍流换热机理进行了研究[4]。

赵鑫、李亚与仇子铖等通过实验证明，环形通道的间隙会严重影响液态钠传热性能与流动性能，热流密度不会对液态钠性能产生影响[5]。

1.2 国外研究现状

GalvánJ等评价了液态金属与水尾流实验成本效益[6]。

PyatnitskayaYu N等基于托卡马克反应堆冷却条件，对矩形通道在垂直情况下的液态金属流动性展开了研究[7]。

2 液态金属散热性能优势

以Z9硅脂、液态金属硅脂为对比对象，见表1。

表1 热流密度不同条件下Z9硅脂、液态金属硅脂与液态金属接触温差对比

通过上表能够发现，液态金属的导热性能远远优于其他两种材料，基于6.67 W/cm2（热流密度最小值）条件下，液态金属测量温差在1℃左右，在热流密度不断增加过程中，液态金属温差上升率较为缓慢，低于金属硅脂材料，而Z9硅脂上升率比金属硅脂材料大。体现出，基于高热流密度条件下，液态金属传热性能较为稳定性，在热流密度不断增加过程中，液态金属和Z9硅脂之间差值最值增加。所以，相比于其他两种材料，液态金属在电子器件的散热性能更加突出。

因为电子器件温度体现出界面材料的导热性能，所以为了进一步研究液态金属性能，还需要对比分析在热源密度不同情况下，热源温度最高值，见表2。

表2 热流密度不同条件下Z9硅脂、液态金属硅脂与液态金属接触温差对比

通过上表能够发现，在6.67 W/cm2条件下，使用液态金属和金属硅脂之间热源温度较为接近，但是在8.33、10 W/cm2条件下，使用液态金属热源温度明显低于金属硅脂材料。所以，通过对比分析能够发现，液态金属相比于其他两种材料，散热性能更加突出，用于芯片散热系统设计能够充分保证散热效果。

3 电磁泵驱动液态金属的芯片散热的原理

3.1 液态金属的基本性质及用于散热的可行性

（1）业态金属性质。以金属镓为例，镓原子量是69.72，原子序数为31，镓天然同位素涵盖种中，即71Ga（丰度是39.6%）与69Ga（丰度是60.4%），涵盖12种非稳定同位素。固态金属镓为淡蓝色、质软性状，液态镓呈现银白色，表面如镜，可以浸润玻璃以及其他物体表面，基于有氧条件下，产生低价氧化镓物质，增加浸润现象，镓可以快速向一些金属晶格中扩散，基于高温条件，金属镓和钠、银、镁、镉、铝、锡等金属产生合金[8]。

基于常温条件，金属镓较为稳定，在温度超出260℃之后，干燥氧气能够让镓出现氧化现象，氧化膜能够避免镓继续发生氧化。镓熔点温度在29.78℃左右，具有较高的沸点，在2403℃左右。在所有元素中，金属镓的区间最长。

（2）芯片散热中液态金属可行性。液态金属特定时期具有用于和换热介质的可行性。首先，导热系数极大，是传统工质数十倍以上，例如，基于常温条件，水的导热率是0.6 W/（m·k），但是液态金属镓可以达到30 W/（m·k）。其次，流动规律类似于一般液体，具有较小压力损失，动力黏度接近水黏度。例如，在52℃条件下，液态镓动力黏度达到1.89 mP·s，液态镓的运动粘度比水体小。再次，单向流动较为健全，可以保证液态状态不易被破坏，比如液态镓在手中就能够熔化。最后，并不会严重腐蚀材料。

3.2 电磁泵驱动液态金属芯片散热的工作原理

电磁泵运行原理如图1所示。

图1 电磁泵运行原理

对流换热方程如下所示：

其中，△t代表冷却介质和热换面之间温差，A代表换热面积，h代表换热系数。

强迫对流换热，主要是借助h快速排出设备热量。

其中，D代表特征尺寸，k代表冷却介质导热系数，Nu代表努赛尔特数，对于强迫对流来讲，是Pr（普朗特数）与Re（雷诺数）的函数。

通过式（2）能够发现，在冷却介质中，对流换热系数和导热系数之间呈现正比关系，采用液态金属进行冷却系统设计，就是借助液态金属中高导热系数充分提高散热效率。

本研究选择镓基合金，主要参数：固液统计的变换率不高于0.3%，导热系数设计为30 W/（m·K），固化温度设计为-5℃，熔点设计为8℃。

4 电磁泵驱动液态金属的芯片散热冷却系统设计与仿真分析

4.1 冷却系统设计

一体式液态金属冷却系统，如图2所示。

图2 液态金属冷却系统

对翅片形状、流速、管道截面以及流道走向等因素进行综合分析，本冷却系统主要涵盖以下特点：

（1）选择一体化集成方式进行设计，液态金属管道、散热翅片以及吸热装置属于一体结构，能够充分减少系统热阻。采用铸铝305建造散热器基体，选择钛合金作为金属管道材料，内径设计为6 mm，外径设计为8 mm。选择整体铸造技术开展制作，铝散热翅片和金属管道采用一体化设计，具有较高的传热效率。

（2）对电磁泵安装部位进行科学设计，在电子装置外部放置电磁泵，防止液体渗漏向设备内部渗透，进而引发PCB短路故障。

（3）对电磁泵参数进行科学设计，让其形成的F（洛伦兹力）对振动、加速度以及其他恶劣条件进行充分抵抗。见下式：

其中，θ代表磁场和电场之间夹角，L代表液态金属的有效宽度，I代表电流强度，B代表磁场强度。

借助电阻发热片对芯片进行替代，发热片规格是ϕ30*1 mm，环境温度设计为27℃，输入功率设计为40 W。在电磁泵开启以及未开启时，借助红外测温设备与热电偶对盖板、发热片的表面温度进行测试，并分析温度分布情况，对采用液态金属设计的冷却系统具体散热性能进行充分掌握。

4.2 系统仿真分析

本冷却系统具体散热系统：基于电磁泵作用，液态金属会经过芯片中吸热设备，热量由发热芯片向较冷液体中传输，液体金属受热之后向散热翅片扩散，向外部环境传递热量，并往复循环，不间断消除芯片上的热量。在此过程中，电磁泵为液态金属提供驱动力，充分提高热量运输稳定性。借助Flotherm软件热仿真分析冷却系统的原型机，发热片规格为发热片规格是ϕ30*1mm，环境温度设计为27℃，热耗为40 W，如图3、图4所示。

图3 电磁泵开电后盖板温度的分布情况

图4 电磁泵未开电情况下盖板的分布情况

通过上述仿真结果能够发现，基于电磁泵未开启情况下，吸热装置周边是盖板高温区域，具有热量集中问题，温度最大值为88.7℃，存在较大的温度梯度，温差为35.7℃。电磁泵启动之后，液态金属能够持续向散热翅片各个部位均匀传输热量，盖板温度最大值减小到78.9℃，充分降低温度梯度，其右部温度均匀分布，存在液冷管道的部位温差最大值为14.5℃，与之前电磁泵未开启前的温差减少59%左右。发热片的表面温度从99.3℃减小至86.9℃，减小12.5%[7]。

盖板温差与发热片温度减小是因为液态金属在流动过程中，把吸热装置部位热量向整个管道中快速传递，管道中热量向管道翅片中传导，促使高温区域面积增加，提升对流散热以及辐射散热，充分减少外界空气和发热片的热阻。

4.3 实验分析

借助实际热测试，对液态金属冷却装置散热性能进行验证。实验设备：（1）直流电源。将电流提供给电磁泵，为液态金属提供驱动力。（2）电阻发热片，对实际项目发热芯片进行替代。（3）数据采集仪与热电偶，主要用于元件表面测试与采集等工作。（4）红外热像仪，主要是测量散热系统在热平衡状态下温度分布状况。

主要试验内容就是电磁泵启动与电磁泵关闭实验，此过程确保发热片功率与附近环境条件固定不变，电磁泵未启动前，发热片温度持续增加，直到温度达到稳定状态，之后将电磁泵启动，观测发热片温度稳定时状态。如图5所示。

通过图5能够发现，电磁泵启动前，发热片表面在97.3℃时达到稳定状态，将电磁泵启动之后温度迅速减小到88.5℃。实验数据对仿真分析准确性进行了准确验证，体现出液态金属冷却装置具有良好均温与散热性能。

图5 电磁泵启动前发热片温度状况

4.4 典型环境验证

根据GJB 150A规范标准，开展不同环境条件下实验分析，科学制定不同环境的实验大纲，同时依次开展冲击、振动、加速度、盐雾、湿热、高低温运行、高低温贮存以及温度冲击等试验，最终结果显示，该系统可以满足上述环境要求，具有稳定的散热性能，尤其在加速度验证实验中，对各向施加5g加速度，此过程发热片温度并未出现较大波动现象，散热能力稳定，体现出加速度并不会影响电磁泵驱动方式。

5 结语

通过仿真分析能够发现，在启动电磁泵后，发热片的表面问题持续减小，冷却系统的表面温度梯度持续降低，温度一致性良好，体现出液态金属热量传输水平极为突出。同时因为电磁泵无运动，所以可以该冷却系统性能稳定、能耗低、无噪音以及驱动效率高等优点。另外，液态金属无毒、安全，具有稳定的物化性质，相比非金属、空气与水介质热导率更加突出，能偶充分提高热量输运效率，提升极限散热水平。