构建至薄0.1mm和高性能VC 多孔反蛋白石材料迎来机会

近年来，随着5G网络的普及，富媒体应用时长快速增加，智能手机等移动设备能耗逐年增大。半导体处理器长时间的高功率运算，导致热耗散问题尤为突出。

热管（HP）和均热板（VC，Vapor Chamber）这些两相冷却系统在智能手机和高性能计算设备上的应用日益广泛，利用其快速热传输的特性将芯片热量转移到散热面上。研究人员认为，随着高集成度、体积缩小、功率密度不断增加，两相冷却系统面临挑战。一个有希望的办法是改善热管和Vapor Chamber的吸液芯结构，在两相冷却器件的干烧和沸腾极限上取得突破。

斯坦福大学纳米热实验室正在利用微/纳米加工技术来获得高性能的毛细芯结构，极大地改善吸液芯，从而提升或控制液体和蒸汽相的输送速率。他们正在使用反蛋白石（IO）结构（常见于光子元材料），其产生的金属吸液芯的孔径大小的精度和一致性远远超过传统烧结的吸液芯。经过模板烧结改性，扩大了连接相邻IO孔的 "颈部"，或水力通孔。增强的颈部尺寸使水力渗透率提高了一个数量级，CHF也可以提高一个数量级。他们正在深入了解IO结构对沸腾极限和渗透性的影响，并已证明这种材料在构建冷却高功率密度电子设备或薄至0.1毫米厚度的Vapor chamber上的潜力。

他们正在启动一项“Extreme Scaling of Vapor Chambers and Heat Routing Devices”项目，对反蛋白石（IO）结构的热应用潜力进行研究。

斯坦福大学纳米热实验室“Extreme Scaling of Vapor Chambers and Heat Routing Devices”项目概述

纳米热实验室由斯坦福大学机械工程学院由Kenneth E. Goodson教授领导。2020年2月6日，美国国家工程院（NAE）选举Kenneth E．Goodson教授成为他们的新成员，肯定了他在微处理器热管理和纳米级导热方面的贡献。

据纳米热实验室官网消息，他们正在推动反蛋白石（IOs）材料在热管理领域的应用，研究工作包括了极限尺度的Vapor Chambers、用于3D芯片/封装热管理的纳米材料、电力电子和数据中心微流体散热器等。

Kenneth E．Goodson教授团队官网截图

反蛋白石（IOs）材料具有高渗透性的形貌特征

当前普遍应用多孔介质作为毛细材料，但多孔介质的微观结构是无定形的，孔位置分布不规则，也没有明确定义的孔单元。由于这些多孔介质不具有高度有序的微尺度特征，因此加大了准确预测流体传输和精确调整结构特征的难度，并且孔之间高度曲折的网络，让其表现出巨大的水力阻力。

使用模板辅助自组装纳米技术制造的反蛋白石（IOs）结构，实现了微观结构孔形貌（孔间隙、孔径分布和结构）的可调与一致性。自组装过程中牺牲球，模板中相邻球之间的“颈部”成为相互连接的窗口在“孔”之间形成连续的、可渗透的孔隙网络。由于结合了周期性，互连性和亚微米孔径特性，IOs具有高渗透性和大的比表面积，理论上孔隙率高达约74%，单位体积传质和传热能力高。

结晶铜反蛋白石扫描电子显微镜的代表性图像。顶视图（a–c）和剖视图（d，e）显示了孔径分别为300、600和1000 nm的结晶孔的周期性排列。（a）中的示意图插图表示每个孔内的通孔作为相邻孔之间的相互连接的窗口，允许流体经其渗透到整个多孔基质中。图像比例尺全部为2 µm。

铜反蛋白石（IOs）的制备方法

铜反蛋白石（IOs）采用模板辅助电沉积技术来制造。首先采用垂直沉积的方法自组装聚苯乙烯牺牲球，然后电沉积铜填充球体之间的空隙，烧结去除模板聚苯乙烯球后得到含有周期性排列孔的铜反蛋白石。

模板辅助电沉积法制备反蛋白石（IOs）

丰田获得带有多孔铜反蛋白石芯结构的Vapor Chamber专利

2020年10月，美国专利商标局授予丰田汽车北美公司一项“带有蒸汽和液体流动路径设计的蒸汽室散热器”的均温板散热器专利。（Vapor chamber heat spreaders with engineered vapor and liquid flow paths，专利号：US 10,820,454 B2 ）。

图：专利描述的一个蒸汽器散热器实施例

这个结构与常见Vapor chamber的最大区别是构建位于中间位置的网孔层40，网孔层40包含多个排气孔42。网孔层40可以包含具有高渗透性的烧结多孔层，例如具有高渗透性的多孔铜反蛋白石（CIO）结构，CIO吸液芯结构提供了良好的控制孔径和微孔分布的优点，另外网孔层40还可以具有高磁导率特性，使网状层40更获得更低的压降。

图：实施例的立体剖面图

目前，反蛋白石（IOs）结构的传质传热机理得到了哈佛大学、丹麦工业大学、密歇根大学、加利福尼亚大学、诺斯罗普·格鲁曼航空系统公司、中央大学（韩国）、伦敦大学等院校及机构研发人员的广泛关注。随着理论研究的推进与工业生产的进步，反蛋白石（IOs）结构材料或将在Vapor Chamber上找到用武之地。

参考：

1.Lee, H., Maitra, T., Palko, J., Kong, D., Zhang, C., Barako, M. T., Won, Y., Asheghi, M., and Goodson, K. E. (May 9, 2018). "Enhanced Heat Transfer Using Microporous Copper Inverse Opals." ASME. J. Electron. Packag. June 2018; 140(2): 020906. https://doi.org/10.1115/1.4040088

2.Pham, Q.N., Barako, M.T., Tice, J. et al. Microscale Liquid Transport in Polycrystalline Inverse Opals across Grain Boundaries. Sci Rep 7, 10465 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-10791-3

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