低熔点金属相变材料填充板翅式散热器对高热量芯片的热控性能数值模拟研究

针对高热量芯片（热流密度>100 W·cm?2）的散热难题，研究人员通过构建三种板翅增强型相变材料（PCM）散热器模型，数值模拟了低熔点金属（如镓）填充散热器的热控性能。研究发现：提升PCM潜热可延长芯片有效热控时间；翅片结构能降低芯片最大温差并提高单位体积PCM热调节效率；双金属PCM两级联动可实现两段恒温控制。该研究为高集成度芯片的热管理提供了创新解决方案。

　　

随着人工智能技术的迅猛发展，芯片集成度遵循摩尔定律持续提升，但由此产生的高热流密度（>100 W·cm^?2）已成为制约芯片性能的核心瓶颈。传统有机相变材料（如石蜡）因热导率低（通常<1 W·m^?1·K^?1）难以满足散热需求，而低熔点金属PCM（如镓）兼具高热导率（≈30 W·m^?1·K^?1）和高潜热的特性，为突破这一瓶颈提供了新思路。

湖南大学的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表论文，通过ANSYS Fluent数值模拟，系统评估了三种板翅结构增强的低熔点金属PCM散热器对高热量芯片的热控效能。研究以85°C为临界温度阈值，重点分析了延长芯片有效热控时间、提高PCM单位体积热调节效率、降低芯片最大温差等关键指标，并创新性探索了双金属PCM两级联动机制的优越性。

关键技术方法包括：采用PISO算法求解速度-压力方程，PRESTO!格式处理压力方程，二阶迎风格式离散动量与能量方程；建立包含镓（Ga）和铋锡合金（Bi-Sn）两种PCM的三维模型；通过固液相变模型追踪界面变化，设置收敛标准为连续性方程残差<10^?3、能量方程残差<10^?6。

最大芯片温度分析
模拟显示：Ga填充散热器可使芯片在热流密度120 W·cm^?2下维持85°C以下达428秒，较有机PCM提升近10倍。相变阶段温度曲线呈现明显平台期，证实金属PCM的恒温调控优势。

翅片增强效应
纵向翅片结构使PCM单位体积有效热调节时间提升37%，芯片最大温差降低19.2°C。热导率从15 W·m^?1·K^?1提升至30 W·m^?1·K^?1时，温差可进一步缩减28%。

双金属PCM联动机制
Bi-Sn（熔点58°C）与Ga（熔点29.8°C）组合实现两级恒温控制：第一阶段由Bi-Sn维持58°C平台，第二阶段Ga激活形成29.8°C平台，总热控时间延长62%。

重复热冲击测试
Ga填充模型在5次循环冲击后仍保持稳定性能，最高温度波动<2.3°C，显著优于有机PCM的>8.7°C波动。

该研究证实：金属PCM的高热导率特性可有效解决传统材料"热阻塞"效应；翅片结构通过扩大换热面积优化了温度均匀性；双金属联动机制拓展了多温区精准调控的可能性。这些发现为下一代芯片散热设计提供了理论依据，特别适用于AI加速卡、GPU等高性能计算场景。研究团队指出，未来可结合微纳结构表面改性技术进一步挖掘金属PCM的潜能，相关成果已获湖南省自然科学基金（2024JJ7546）支持。