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，散熱技術已成為制約硬件性能釋放的核心瓶頸。

傳統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，如何通過材料創新突破蒸發冷卻技術的應用局限，成為科研人員與產業界共同關注的焦點。

在為處理器等高發熱器件散熱時，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，但存在關鍵差異）、散熱器、導熱連接件、均熱片以及蒸發冷卻技術。

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勢十分突出，這類方案可適配發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出了一種新型散熱材料，有望大幅提升被動蒸發冷卻技術的能源利用效率。

新型材料驅動蒸發冷卻效率躍升

蒸發冷卻的原理并非全新概念。該技術被生物體廣泛應用，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，對其展開系統性的科學研究與模型構建，阿爾伯特?愛因斯坦亦曾圍繞這一主題發表國數篇具有奠基意義的論文（見圖1）。目前，蒸發冷卻技術已被廣泛集成于各類散熱系統中，既可以作為獨立的散熱方案，也可成為空調、冷卻器等大型系統的重要組成部分。

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

為何需要更高效的散熱技術？如今以人工智能為核心的處理器運行時會產生大量熱量，這已是業界共識。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域存在對強效局部散熱的迫切需求，諸多其他發熱器件的熱流密度也已超過100W/cm。舉例而言，高功率發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的這項技術，其核心是一種經特殊工藝設計的纖維膜，可通過蒸發作用實現被動散熱。該技術采用低成本纖維膜材料，其內部布滿相互連通的微孔結構，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時，即可高效帶走下方電子器件產生的熱量，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構之上，吸附流經流道的冷卻液，進而實現高效散熱（見圖2）。

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

已有諸多應用場景借助內部或外部蒸發作用實現散熱。包括三星、蘋果在內的部分智能手機機型，便將該原理應用于均熱板散熱技術，這是一種基于蒸發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，廣告中不僅提及該技術，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，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，液-氣相變過程中產生的巨大相變潛熱能夠實現更高效的散熱，同時具備更出色的穩定性，無滯后效應；當采用被動毛細驅動流體流動時，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，基于蒸發作用的散熱系統能夠提供更可控、更高效的傳熱機制，尤其適用于高功率應用場景。

技術原理解析

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

但這一高效蒸發區域的長度極短，僅有約100nm，僅占彎液面整體的極小部分。因此，要實現高通量蒸發，就必須依托多孔結構，這類結構可提供更大的表面積，從而擴大整體蒸發面積。

對于由獨立納米孔構成的納米多孔膜而言，毛細驅動蒸發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，以及經多孔結構放大的薄膜蒸發彎液面有效面積進行估算。

毛細極限則對應液體的最大質量通量，由納米孔內粘性阻力與毛細驅動力的平衡關系決定，其大小取決于液體在多孔結構內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。

此前的理論與數值研究表明，對于平均孔徑在數百納米范圍內的納米多孔膜，上述極限值可突破5kW/cm。在該孔徑區間內，毛細壓力可達100kPa以上，為液體高效傳輸與高速蒸發提供了必要的驅動力。

然而，將蒸發冷卻技術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：孔徑過小易引發堵塞，孔徑過大則會誘發非預期的沸騰現象。

加州大學圣地亞哥分校的新型材料方案

在分析了現有薄膜性能難以達到理論值的潛在原因后，研究人員研發出一種具備互聯孔隙結構的多孔纖維膜。

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

該設計能夠實現高效蒸發，同時規避上述缺陷。研究團隊開發的高效蒸發器采用具有三維互聯孔隙的纖維膜，專門用于解決傳統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的加熱區域內，實現了超過800W/cm2的超高臨界熱流密度，創下了新紀錄（見圖3），在同等尺寸的毛細驅動蒸發器中性能表現最為優異。

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

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

除了亮眼的熱學性能外，研究人員表示，經力學性能表征測試證實，這類纖維膜兼具成本低廉、易于規模化生產的特點，同時具備良好的機械柔韌性與結構強度。

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的迭代升級，更將為人工智能、射頻通信、激光器件等領域的硬件創新提供關鍵支撐，助力高功率電子器件在更小空間內釋放更大潛能。