中国科学家领衔研发出新型热管制造技术

  中新网北京7月22日电 (记者 孙自法)在新一代人工智能(AI)、大数据、云计算等产业高速发展的背景下,如何破解高性能芯片散热的难题广受关注。

  攻克国际难题

  记者7月22日从中国科学院金属研究所获悉,该所宋鸿武研究员团队联合中外合作者另辟蹊径,最近成功研发出一种基于电化学沉积增材制造(即3D打印)的新型热管制造技术,一举攻克截面“Ω”形槽道热管内部“梯度多孔铜吸液芯”难以原位成形的国际难题,为高性能芯片散热提供了关键材料支撑。

截面像希腊字母Ω的槽道管。中国科学院金属研究所 供图

  宋鸿武研究员指出,图形处理器(GPU)、张量处理单元(TPU)等高性能芯片的算力需求当下呈指数级增长,导致功耗大幅攀升。同时,芯片封装尺寸不断缩小,使得热流密度急剧升高,狭小空间内的散热问题成为制约算力释放与系统可靠性的关键瓶颈。

  作为电子散热领域兼具性能与成本优势的主流方案之一,现有梯形、矩形等沟槽式微热管已接近传热性能上限,急需开发新一代齿形设计,以突破毛细极限和热阻瓶颈。

  截面像希腊字母Ω(欧米伽)的新型槽道热管,有望成为下一代电子散热的主流方案,其弧形结构能产生更强的吸力,Ω形使内表面积进一步增大,并且可完美实现液-汽分离运行,理论上导热能力可达纯铜的1000倍。

  不过,Ω槽道内壁太光滑,如果覆盖一层多孔铜,就能像海绵一样利用细密的孔隙产生毛细力,辅助液体回流。更理想的是,这层孔的尺寸要从底部到顶部逐渐变大——底部用纳米级小孔产生强力“抽吸”,顶部用微米级大孔减少流动阻力,这样液体就能“上得快、流得顺”。

  然而,Ω槽道形状复杂,内部空间狭窄,用传统粉末烧结或机械加工方法无法在里面“雕”出这种梯度多孔结构,这道难题已困扰业界多年。

  具有优异性能

  中国科学院金属研究所介绍,在本项研究中,宋鸿武团队联合白俄罗斯科学院、江西耐乐铜业有限公司,把Ω铜管泡在特制的铜盐溶液里,用电镀方法实现铜离子在槽道表面一层一层“生长”出来。

本项研究提出的多孔铜结构的电化学沉积增材制造方法。中国科学院金属研究所 供图

  进一步通过精准控制电流和时间,使铜原子像搭积木一样,从底部到顶部逐渐改变堆叠的疏松程度,自然形成孔径从几十纳米到几微米的连续梯度变化,整个过程就像在微观世界里“种”出一片孔洞大小渐变的珊瑚礁。

  这种“种”出来的梯度吸液芯,具有优异性能:毛细吸力是传统铜粉烧结结构的2倍,这意味着液体回流速度翻倍,极大降低“烧干”风险;装配这种新型吸液芯的Ω槽道热管,单管可散热的功率比传统直槽管提高了1倍。

  此外,本项研究开发的工艺无需二次组装,一步完成梯度吸液芯与Ω槽道的牢固结合,彻底解决了传统烧结或填充工艺中结构匹配性差、界面热阻高等问题。

  宋鸿武表示,这项研发突破不仅解决了Ω槽道与梯度吸液芯“一体化制造”的国际难题,也可为高温高热流密度场景提供一种全新的散热思路。(完)

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