西北工业大学液态金属芯片冷却技术综述
来源 | Journal of Thermal Science
链接 | https://doi.org/10.1007/s11630-025-2197-z
01
背景介绍
通过垂直堆叠芯片实现高集成度（提升系统性能 30%+）、缩短信号传输距离（降低延迟 20%-50%），但功率密度显著提升，多数 3D ICs 功率密度超 100 W/cm²，部分达 32 kW/cm²，导致芯片中底层热点聚集，传统冷却（如散热器、均热板）因垂直热阻大失效。使用液态金属介质开展芯片散热的相关技术作为一种新兴的芯片散热解决方案，在应对三维集成电路的热管理问题时表现出较好的实用性与广阔的泛用性，因而在近年来受到了广泛关注。液态金属作为一种优良的热传导材料，在替代传统换热流体方面具有很大的潜力。相较于传统的散热方法，这些使用液态金属作为介质的散热技术具有更高的散热效率和更好的散热性能。
02
成果掠影
近日，西北工业大学微电子学院王少熙、汪钰成团队综述了使用液态金属介质开展芯片散热的研究成果。聚焦3D 集成电路（3D ICs） 功率密度提升带来的热管理挑战，系统梳理该领域五大核心研究方向：散热介质选择（重点分析镓基液态金属的无毒性、高导热性及掺杂优化，其导热系数达 10.00-40.00 W/(m・K)，远超传统工质）、通道设计（涵盖微通道结构优化、液态金属 - 通道材料交互及防腐蚀方案）、驱动泵分析（电磁泵、压电泵等类型，如双层螺旋电磁泵在 200A 下压力达 76.5 kPa）、系统性能评估方法（LES、DNS 等模拟及实验测试）、液态金属微流控芯片散热系统协同设计（高功率场景应用及多目标优化）。研究证实液态金属冷却技术在热流密度 111.1 W/cm² 下仍能稳定散热，同时指出腐蚀防护、流动稳定性、成本控制等未来方向，为 3D ICs 高效热管理提供理论与技术支撑。为液态金属芯片冷却技术的发展提供理论参考与技术指导。研究成果“Liquid Metal-Based Chip Cooling Technologies: A Review ”为题发表在《Journal of Thermal Science》。
值得一提的是，本次研究的主要作者——西北工业大学王少熙教授也将作为第六届热管理产业大会暨博览会报告嘉宾出席分享《高热流密度芯片内嵌微流高效散热技术》的大会报告。
针对下一代高功率芯片所面临的极端热流密度散热挑战，提出并实现了内嵌入式高冷却介质微流道散热解决方案，并系统介绍该技术的创新设计思想、与芯片制造工艺兼容的关键实现路径，以及其在高热耗散场景下的综合性能表现，通过对该技术的应用前景与未来发展方向进行展望，为突破高性能计算、人工智能等领域的芯片热管理瓶颈提供了一种全新的技术途径。
大会时间：2025年12月3–5日
大会地点：深圳国际会展中心宝安（10号馆）
03
图文导读
图1、典型液态金属热沉结构示意图。
图2、（a）TEM（透射电子显微镜）LM图像（液态金属）基质和Cu纳米颗粒[28]。（b）夹层封装结构和热阻的示意图[32]。（c）通过一步球磨制备LM-GrP的示意图和产物形态的证明[33]。（d）夹层结构和热阻模型的示意图[34]。（e）GBLM-CF的制备示意图[34]。（f）LM-BN制备的搅拌和搅拌方法示意图[35]。
图3（a）镓基液态金属的主要成分及材料性质;（b）镓基液态金属在衬底上的两种不同放置形式。
图4（a）微通道散热器的整体视图和产品照片[41]。（b）双层通道布局示意图[38]。（c）纳米流体微通道冷却原理示意图[46]。
图5、（a）多层堆叠结构的示意图[52]。（b）硅衬底背面的SEM图像显示SPMC（直、平行微通道），微通道宽度为100 µm、50 µm和25 µm，以及mMMC（单片集成歧管微通道），具有2×、4×和10×歧管部分，比例尺为1 mm和850 µm，（c）水力直径为533 µm的各种微通道横截面[53]。
图6、（a）PCR板微通道散热器系统的结构示意图[53]。（b）LM/铟膜/LM夹层结构示意图[77]。（c）表面腐蚀形态的EDS（能量色散光谱）观察[71]。（d）添加Ti的金刚石涂层的热导率测试[74]。
图7（a）往复式无阀微泵结构及两相运行。（b）不同交叉角的输送性能。（c）在一个完整的泵送周期中，11个任意选择的颗粒在振动室中的运动轨迹。（d）再循环区和捕鱼器和模拟微泵开口处的流线示意图[78]。
图8（a）单个/成对声学锐边摆动的驱动机制[84]。（b）操作循环的压缩阶段和膨胀阶段期间的泵送流型[85]。
图9（a）DC-EMP的物理模型、仿真结果和流向的速度不均匀性[92]。（b）DC-EMP的工作原理和泵管结构[93]。
图10（a）不同管道截面下HA-EMP示意图[94]。（b）电磁感应泵结构图、截面图、工作原理示意图[95]。（c）分体式电磁离心泵结构俯视图、侧视图[96]。
图11（a）ACET微型泵的结构和电极排列。（b）Vrms=1 V和Vrms=3 V时的速度等值线，滑移长度Ls=1 µm，频率f=100 kHz [103]。
图12（a）3D-OHP结构示意图，包括：绝热段、蒸发器、冷凝器和加热器[149]。（b）使用多通道系统进行液态金属-水热交换的理论结构和实验环境[14]。
图13、磁控液态金属冷却管[153]
图14（a）使用液态金属作为模具制造微通道的方法[158]。（b）将液态金属注入真空室内的管道的过程[159]。（c）各种微结构中液态金属注入的示意图[160]。
