摘要：为降低AI数据中心冷却成本，美国卡内基梅隆大学研究团队研制出一种创新性热界面材料，不仅实现了超低热阻，还通过改进散热情况大幅提升了冷却效率，降低了成本，性能超越当前最先进的解决方案，相关论文发表于《自然·通讯》杂志。
为降低AI数据中心冷却成本，美国卡内基梅隆大学研究团队研制出一种创新性热界面材料，不仅实现了超低热阻，还通过改进散热情况大幅提升了冷却效率，降低了成本，性能超越当前最先进的解决方案，相关论文发表于《自然·通讯》杂志。
研究团队研制了一种可打印的、高性能液体注入纳米结构复合材料（LINC）的方式作为通用的高性能热界面材料（Thermal Interface Materials，TIM），该复合材料包括机械柔软且导热的双面铜纳米线阵列支架，并注入了抑制接触热阻的定制热桥液体。液体灌注概念适用于广泛的热界面应用。液态金属注入纳米结构复合材料在界面处表现出超低的热阻
据文献显示，同条件下两种市售的导热系数为8.5W/(m·K)和14.2W/(m·K)的导热膏，热阻为3-6mm²K/W。在-55至125摄氏度的极端温度下，对材料进行了1000多次循环测试，材料的性能依然稳定如初，可靠性优于相同组件的商用高性能石墨热垫。
团队还将研制的LINC在CPU组件（65W标准办公级CPU）中进行散热测试，并用商用先进的TIMs作为基准进行对比测试，如下图所示。与参考材料TIM2（高性能相变材料，报道导热系数：8.5 W/(m·K)）和参考材料TIM3（高性能导热脂，报道导热系数：14.2W/(m·K））相比，注入液态金属的LINC通过进一步降低CPU温度（2℃）显示出优越的热性能，这相当于芯片到冷却剂的效率提高了5%。对于具有高热设计功率密度的现代高端芯片（例如NVIDIA AD102，1.3 W/ mm²），热界面电阻从4mm²K /W减少到1mm²K /W，可以使界面温度差距减少4K，并有利于芯片冷却，特别是对于芯片与冷却剂温差通常小于30K的数据中心。
这种新型材料在加强能源密集型设备和系统的热管理方面显示出了巨大的潜力，有助于未来的能源效率和可持续性，可设计应用于数据中心、GPU/CPU系统、固态激光器和LED的冷却。
数据中心热管理问题亟待优化
据统计，在全球范围内，数据中心每年消耗约240-340太瓦时的电力（占地球每年总用电量的1-1.3%），随着云计算和人工智能的发展，这一数字将继续增长。冷却需求占数据中心能源使用量的33-40%，每年消耗数十亿吨水。
下面这组数据更能直观的感受能耗体量，据预测，在寻找解决方案的过程中，如果未能有效控制能耗，到2026年这些领域的电能使用量有可能暴增至1000TWh。如此庞大的电力需求，足以与整个日本的用电量相当。
同时，高功率电子器件的热流密度，如固态激光器、宽带隙晶体管和相控阵雷达，已经达到前所未有的1 kW/cm²，如果没有有效的热解决方案，将导致器件性能和寿命的快速下降。随着中央处理器、电气设备、电动汽车等对于异构集成功率密度和可靠性要求的不断提高，界面热阻已经成为有效热管理的关键瓶颈。
热界面材料的分类
热界面材料（Thermal Interface Materials，TIM），又称导热界面材料或接口导热材料，是一种广泛应用于集成电路封装和电子散热的材料。由于两种异质材料的接触界面或结合界面会产生微空隙、界面表面会有凹凸不平的孔洞等几何缺陷，TIM可以填充这些空隙及孔洞，减小传热的接触热阻，达到提高电子元器件的散热性能的目的。在热管理中，热界面材料发挥着举足轻重的作用。技术研究方面，按照基体类型，热界面材料可分为聚合物基、碳基、金属基等。工业化方面，常见已经商业化的热界面材料类型及优缺点如下图所示。为提高材料的热导率，常采用添加金属（如Cu、Ag、Au、Al等）、陶瓷（如氮化硼（BN）、氮化铝（AlN）、碳化硅（SiC）等）、碳类（如石墨烯、碳纳米管等）、氧化物（Al2O3、ZnO等）等类型填料或者采用纳米技术研制新型热界面材料。
热界面材料全球领先供应商
目前全球领先的热界面材料供应商主要有铟泰公司（Indium Corporation）、杜邦、汉高、派克固美丽、3M、陶氏、富士高分子工业株式会社等。
铟泰公司（Indium Corporation）成立1934年，其产品包括焊接材料、硬钎焊、导热界面材料、溅射靶材、铟镓锗锡等金属和无机化合物、纳米材料等。铟泰公司是金属导热界面材料（TIM）领域的领先品牌之一。铟的导热率为86W/ (m·K)，比铅软4倍，热界面产品包括纯铟或铟基合金焊片、预涂布助焊剂焊片（主要应用于CPU、GPU Die to Lid）、铟基导热界面材料（TIM）——Heat-Spring®、m2TIM™（固-液混合的导热界面材料）（TIM1和TIM0应用）、液态金属TIMs等。
杜邦公司：2021年3月杜邦以23亿美元收购莱尔德高性能材料公司（Laird Performance Materials），莱尔德高性能材料是高性能电磁屏蔽和热管理领域全球领先的公司，在导热界面材料开发领域是全球领导者之一，该公司在全球拥有超过4300名员工，11个制造基地分布在北美、欧洲和亚洲，2020年的营收达到4.65亿美元。
汉高：汉高的导热界面产品类型非常多样，覆盖导热垫片、导热胶、相变材料、导热硅脂等多种类型。2014年9月，汉高与贝格斯（Bergquist）公司签订了收购协议，贝格斯为全球的电子行业提供导热材料管理解决方案，成立于1964年，在美国建有五个生产基地，中国大陆一个。
富士高分子工业株式会社热界面材料产品线主要为硅胶产品，据统计，在同类型产品高端市场的热界面材料应用市场上（尤其是导热系数6以上的市场上）产品的市占率超过60%。
来源：化工365
