破解高功率芯片散热难题，"相变-泡沫铜"液冷解决方案

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背景

近年来，电子信息设备持续向智能化、多功能化、小型化演进，功能集成度与功率密度同步攀升。以智能扫地机器人为代表，其依靠双目视觉芯片、激光雷达（LiDAR）芯片与中央控制集成电路协同工作来完成复杂任务，而智能算法的迭代升级不断推高这些芯片的功耗水平，使传统热管理方案难以在复杂工况下满足精准控温要求，直接制约设备的运行稳定性与使用寿命。相变材料（PCM）凭借高潜热蓄热能力，可通过吸收或释放大量潜热平抑温度的突变波动，被广泛用于电子器件热管理。然而纯石蜡的导热系数仅 0.2 W/(m·K)，热量难以及时传递给冷却介质，为弥补这一短板往往需要提高液冷泵的功率，反而抵消了相变蓄热本身带来的节能收益。与此同时，现有 PCM-液冷混合系统多面向峰值负载设计，在长期高功率运行下的能效问题并未解决。如何在让芯片稳定处于最佳工作温度区间的同时把泵功耗降下来，成为集成芯片热管理亟待破解的关键难题。

成果掠影

近日，华南理工大学的李宗涛、李家声团队，将高导热泡沫铜骨架与高潜热复合相变材料相结合，设计了一种相变-泡沫铜复合（PC-CFC）液冷模块，从"被动潜热缓冲+主动液冷"协同调度的角度破解了集成芯片在低泵功耗下长时精准控温的难题。团队以商用石蜡（相变温度 47–56 ℃，相变潜热 224 kJ/kg）为基体，引入 4 wt.% 石墨烯纳米片（GNP）与 2 wt.% 六方氮化硼（h-BN）纳米颗粒，经超声分散（360 W、20 kHz、2 min）在基体内构建连续导热网络，再通过真空浸渗填入泡沫铜骨架。所得复合相变材料导热系数达到 1.48 W/(m·K)，为纯石蜡的 7.4 倍，而相变潜热仅下降约 5%，实现了"高导热"与"高潜热"的兼顾。团队进一步系统考察了 85%–98% 孔隙率的影响：孔隙率越高，可填充的 PCM 越多、相变平台越长，但等效导热系数下降明显——孔隙率由 90% 提升至 95% 时相变时长增加 16.8%，继续升至 98% 仅再增加 1.2%，而等效导热系数却骤降 49.4%。综合蓄热能力与导热性能，研究确定 95% 孔隙率、40 ppi 为最优参数，并通过 50 次加速温度循环验证了其结构与热物性稳定性。在芯片控温测试中（临界温度设定为 75 ℃），PC-CFC 液冷模块相比传统液冷模块可将有效控温时间最长延长 80.65%；采用"75 ℃ 开启、65 ℃ 关闭"的固定温度区间策略后，泵的平均功耗较连续液冷降低 56.83%。控温波动也被大幅压缩：在停 2 min、开 1 min 的重度间歇工况下，传统液冷模块第 7 个循环即突破 85 ℃、总运行时间仅 20 min，而 PC-CFC 模块可将芯片表面温度在 85 ℃ 以下维持至少 1 h，运行时长至少延长 2.25 倍。该方案原理具有普适性，在数据中心服务器、动力电池包和高性能集成芯片等存在功率密度波动、动态热负载的场景中具备可观的应用潜力。研究成果以"Energy-efficient thermal management of integrated chips based on the phase change-copper foam composite liquid cooling module"为题，发表于《Applied Thermal Engineering》期刊。

图文导读

图1. 相变复合液冷模块的控温原理示意图

图2. (a) h-BN/GNP/石蜡复合相变材料的制备流程；(b) PC-CFC 的制备流程；(c) 不同纳米材料掺杂比例的 h-BN/GNP/石蜡复合相变材料样品；(d) 不同孔隙率的 PC-CFC 样品

图3.(a) PC-CFC 的热测试结构；(b) 相变复合液冷模块结构示意图；(c) 相变复合液冷测试系统示意图

图4.(a) GNP、(b) 未经超声分散的 GNP/石蜡复合相变材料、(c) 经超声分散的 GNP/石蜡复合相变材料、(d) h-BN/GNP/石蜡复合相变材料的 SEM 图像；(e) 不同比例 GNP 掺杂石蜡的导热系数；(f) 不同比例 h-BN 掺杂的 4%GNP/石蜡复合材料的导热系数；(g) DSC 测试；(h) 比热容测试；(i) 不同比例 GNP 掺杂石蜡的相变温度、熔点与相变潜热对比；(j) 不同比例 h-BN 掺杂的 4%GNP/石蜡复合材料的相变温度、熔点与相变潜热对比

图5.(a) 6 W 加热功率下不同孔隙率样品 T1 测温点的温度变化曲线；(b) 不同孔隙率样品 T2 测温点的温度变化曲线；(c) 不同孔隙率下 T1 与 T2 之间的温差；(d) 不同孔隙率下的液相率演化；(e) 不同孔密度下 T1 测温点的温度变化曲线；(f) 95% 孔隙率、40 ppi 的 PC-CFC 加速温度循环测试