液態(tài)金屬：有望顛覆電子信息產(chǎn)業(yè)的前沿材料

張昕嬙 王海龍 喬標(biāo) 曹茜芮 朱杰

液態(tài)金屬，也稱“低熔點(diǎn)金屬”，熔點(diǎn)通常在200℃以下。液態(tài)金屬既具備良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，又擁有極佳的流動(dòng)性，物化性質(zhì)穩(wěn)定，易于成型，是超越銅、銀、鋁等傳統(tǒng)電子材料的顛覆性前沿材料。目前，液態(tài)金屬已應(yīng)用于集成電路、中央處理器（CPU）散熱器等多個(gè)電子信息關(guān)鍵領(lǐng)域，能大幅提升產(chǎn)品和技術(shù)性能。為此，需要加速液態(tài)金屬的技術(shù)提升和成果應(yīng)用，打造助力電子信息產(chǎn)業(yè)彎道超車的“推進(jìn)劑”。

1 液態(tài)金屬實(shí)現(xiàn)3大技術(shù)突破

近年來，液態(tài)金屬領(lǐng)域的一些重大突破初現(xiàn)端倪，可能引發(fā)若干領(lǐng)域的群體性突破和系統(tǒng)性創(chuàng)新，為解決CPU運(yùn)算速度提升、集成電路柔性制造等電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸制約提供了全新思路。

1.1 液態(tài)金屬熱管理技術(shù)的快速突破，有望大幅提升CPU運(yùn)算速度

CPU發(fā)熱問題是限制運(yùn)算速度的最重要因素之一。當(dāng)前，處理器大多使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)，每個(gè)時(shí)鐘周期都會(huì)產(chǎn)生能量耗散，所以熱量會(huì)隨運(yùn)算速度增加而增加。市面上的CPU散熱器導(dǎo)熱介質(zhì)以硅脂為主，硅脂導(dǎo)熱的原理是通過硅油包裹導(dǎo)熱氧化鋁填料，再填充到界面之間的縫隙里，達(dá)到增加導(dǎo)熱面積的目的。但是傳統(tǒng)硅脂材料存在2個(gè)問題，一是出于安全考慮，硅脂導(dǎo)電性較弱，也影響了導(dǎo)熱性能；二是填料顆粒較大，無法達(dá)到完全填充縫隙的狀態(tài)。相比硅脂，液態(tài)金屬具有更加優(yōu)秀的導(dǎo)熱性能。液態(tài)金屬的典型成分——鎵基合金、鉍基合金擁有高導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱系數(shù)是傳統(tǒng)硅脂的50倍以上；由于界面滲透率高，移熱能力也優(yōu)于銀、銅等金屬。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家將液態(tài)金屬應(yīng)用于高端計(jì)算機(jī)CPU散熱器，待機(jī)溫度可比普通硅脂低8%，CPU滿載工作溫度僅是普通硅脂的69.7%，能夠大幅提升運(yùn)算核心的計(jì)算速度。德國(guó)酷冷博（Coollaboratory）公司、英國(guó)維酷（VRYCUL）公司的液態(tài)金屬導(dǎo)熱介質(zhì)已實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，在業(yè)內(nèi)取得極佳口碑。在我國(guó)，云南中宣液態(tài)金屬科技有限公司等企業(yè)也初具規(guī)模，具有年產(chǎn)10t液態(tài)金屬導(dǎo)熱片、10t液態(tài)金屬導(dǎo)熱膏的生產(chǎn)能力。

1.2 液態(tài)金屬頻率重構(gòu)技術(shù)的快速突破，將顯著改善通訊設(shè)備天線的環(huán)境適應(yīng)能力

液態(tài)金屬具有高柔韌性和“再生”機(jī)制。在外力作用下，材料內(nèi)部一旦出現(xiàn)裂痕，晶體邊界將會(huì)立即發(fā)生移動(dòng)，從而修復(fù)裂痕并制止裂痕的繼續(xù)擴(kuò)大趨勢(shì)。利用液態(tài)金屬的“再生”性能，可以提升電子通訊設(shè)備的性能。例如，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)軍用機(jī)載無線電的要求也在不斷提升，執(zhí)行不同任務(wù)，需要的無線電工作頻率不盡相同。為滿足需求，軍用飛機(jī)常需配裝數(shù)十副天線，而多副天線通常會(huì)造成系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜、質(zhì)量增加、信號(hào)間干擾等多種問題，使得無線電系統(tǒng)整體性能下降。通過微型泵驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬發(fā)生形變并還原，將使其用于制備可重構(gòu)、可修復(fù)天線，能夠適應(yīng)多種環(huán)境變化，大幅精簡(jiǎn)了飛機(jī)通訊設(shè)備。據(jù)測(cè)算，與傳統(tǒng)銅天線相比，液態(tài)金屬天線尺寸可減小20%，1.95 GHz時(shí)天線增益高達(dá)10DBi。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）于2017年成功研制可在70MHz～7GHz之間按需調(diào)節(jié)的液態(tài)金屬天線，降低系統(tǒng)間電磁干擾，目前已完成可行性驗(yàn)證和原型件試制。在我國(guó)，液態(tài)金屬在通信領(lǐng)域的研究仍處于起步階段，僅有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校著手研究。

1.3 液態(tài)金屬電子印刷技術(shù)的快速突破，將推動(dòng)集成電路制造技術(shù)更加柔性化

由于液態(tài)金屬的導(dǎo)電性受到溫度、氧化程度和磁場(chǎng)強(qiáng)度等多個(gè)因素影響，通過改變物理場(chǎng)環(huán)境，可以將液態(tài)金屬作為可控的邏輯計(jì)算單元，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算控制；結(jié)合液態(tài)金屬易于形變的特性，可以將其作為油墨，通過電子印刷技術(shù)，直接制造超薄電子晶片、可編程電路板等柔性化的集成電路元器件，可以克服當(dāng)前芯片生產(chǎn)的局限性，更加適用于智能化制造。未來甚至有可能全面替代半導(dǎo)體，終結(jié)晶體管時(shí)代。發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)加快了液態(tài)金屬在集成電路產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用布局。2015年，AFRL資助普渡大學(xué)實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬噴墨打印的批量化生產(chǎn)方法，精度達(dá)到微米級(jí)。2017年，英國(guó)薩塞克斯大學(xué)和斯旺西大學(xué)公布了通過改變電場(chǎng)強(qiáng)度促使液態(tài)金屬二維形變的研究成果。在我國(guó)，2013年中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所就取得了液態(tài)金屬3D打印技術(shù)、液態(tài)金屬電子油墨等科研成果，并研發(fā)出世界首臺(tái)全自動(dòng)液態(tài)金屬個(gè)人電子電路打印機(jī)。目前，已在云南建成年產(chǎn)200t液態(tài)金屬原液、液態(tài)金屬電子油墨以及年產(chǎn)20萬套液態(tài)金屬電子手寫筆的生產(chǎn)線，相關(guān)產(chǎn)品已投放市場(chǎng)并遠(yuǎn)銷歐美國(guó)家。

2 我國(guó)液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)發(fā)展的短板瓶頸

2.1 在電子印刷領(lǐng)域仍需技術(shù)攻關(guān)，在頻率重構(gòu)領(lǐng)域需要縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)代差

我國(guó)在液態(tài)金屬的電子印刷領(lǐng)域具有研發(fā)優(yōu)勢(shì)，但繼續(xù)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化仍存在技術(shù)瓶頸：一是液態(tài)金屬的流動(dòng)性和表面張力難以控制，液態(tài)金屬在物理場(chǎng)中的聚集、形變尺寸控制有待研究。例如，鎵銦合金的表面張力可以達(dá)到0.5N/m，大約是水的9倍，常溫常壓下呈球狀，難以將其作為液體應(yīng)用。雖然美國(guó)北卡羅來納州大學(xué)相關(guān)研究表明，可以通過施加電壓，使金屬表面生成氧化層來控制表面張力，但是由于氧化層的性能指標(biāo)難以控制，技術(shù)仍然難以應(yīng)用在產(chǎn)業(yè)中。二是液態(tài)金屬隨物理場(chǎng)改變呈現(xiàn)的半導(dǎo)體特性研究尚未形成體系。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的相關(guān)研究表明，液態(tài)金屬的毛細(xì)現(xiàn)象與表面張力會(huì)改變其導(dǎo)電性，當(dāng)液滴相互靠近時(shí)，液滴之間會(huì)形成“金屬橋梁”導(dǎo)電，液滴分開后即消失，呈現(xiàn)出場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極和漏極的效果。但是這種導(dǎo)電特性還受哪些物理場(chǎng)的影響，仍然尚未發(fā)現(xiàn)。三是液態(tài)金屬易與空氣反應(yīng)，在表面出現(xiàn)氧化膜。而氧化膜使得液態(tài)金屬的表面極易吸附空氣中的水分子，對(duì)界面強(qiáng)度損害極大，影響傳感特性。目前的電子印刷、柔性電路板制備相關(guān)裝置的氣密性不夠，液態(tài)金屬仍然可以和空氣接觸，相關(guān)問題亟待解決。在頻率重構(gòu)領(lǐng)域，我國(guó)應(yīng)加深液態(tài)金屬自我重構(gòu)機(jī)理研究，并著力開展液態(tài)金屬天線設(shè)計(jì)。

2.2 我國(guó)對(duì)初創(chuàng)企業(yè)的原料采購、研發(fā)投入等扶持弱于發(fā)達(dá)國(guó)家，限制了液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)化

液態(tài)金屬的發(fā)展難度之一在于成本高，銦、鎵等原材料都屬于貴金屬。2018年7月，國(guó)內(nèi)現(xiàn)貨精銦價(jià)格約為1 750～1 800元/kg，高純鎵的價(jià)格約為1 300～1 350元/kg。高成本將限制液態(tài)金屬的大規(guī)模應(yīng)用。此外，液態(tài)金屬相關(guān)企業(yè)基本都屬于初創(chuàng)型企業(yè)，業(yè)務(wù)處于研發(fā)、市場(chǎng)推廣初期，研發(fā)投入較高，尚未形成規(guī)?；氖杖?。而在發(fā)達(dá)國(guó)家，出于對(duì)初創(chuàng)型企業(yè)的重視，相關(guān)的投資和補(bǔ)助政策很多。在德國(guó)，政府通過咨詢服務(wù)、補(bǔ)貼、風(fēng)險(xiǎn)投資等多種方式扶持初創(chuàng)型企業(yè)。比如，德國(guó)聯(lián)邦能源與經(jīng)濟(jì)部通過“投資—針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)資本的補(bǔ)助”項(xiàng)目，給予風(fēng)險(xiǎn)投資人高達(dá)投資額20%的免稅補(bǔ)貼，鼓勵(lì)投資者向年輕的創(chuàng)新企業(yè)投資；針對(duì)中小微企業(yè)的研發(fā)支持也有很多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007—2015年德國(guó)聯(lián)邦政府為中小企業(yè)提供的研發(fā)資金從7.8億歐元增至14.5億歐元。在美國(guó)，政府一方面加快完善政策法規(guī)保障，出臺(tái)《小企業(yè)法》《小企業(yè)投資法》《中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新法案》等政策法規(guī)，引導(dǎo)扶持人才創(chuàng)辦中小型科技企業(yè)；另一方面，出臺(tái)《國(guó)內(nèi)收入法》《經(jīng)濟(jì)復(fù)興稅法》和《投資收益稅降低法案》等一系列鼓勵(lì)投資的稅收優(yōu)惠政策，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)投資對(duì)創(chuàng)業(yè)者的支持。而在我國(guó)，這種初創(chuàng)企業(yè)補(bǔ)助尚未完善，如果單憑企業(yè)自身力量推廣，困難較大。

2.3 由于下游用戶對(duì)新成果存有疑慮，導(dǎo)致后續(xù)應(yīng)用落后于發(fā)達(dá)國(guó)家

雖然我國(guó)已在液態(tài)金屬電子印刷領(lǐng)域形成研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)，但是與電子信息龍頭企業(yè)的進(jìn)一步合作并未如期而至。主要原因是下游用戶對(duì)液態(tài)金屬并不了解，認(rèn)為貿(mào)然應(yīng)用新材料會(huì)存在較大風(fēng)險(xiǎn)，寧愿選擇犧牲部分材料性能維持現(xiàn)狀。對(duì)于類似問題，歐盟建立企業(yè)、聯(lián)盟、科研機(jī)構(gòu)之間靈活的公司合作關(guān)系，采用共同研究的方式，由成員共同購買、組建和使用研究設(shè)施，推進(jìn)下游用戶參與技術(shù)研究。美國(guó)利用州政府、地方政府或非盈利組織作為第三方中介推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室與企業(yè)達(dá)成合作，運(yùn)行經(jīng)費(fèi)由成員企業(yè)和政府共同承擔(dān)，比例為五五開，避免了技術(shù)研發(fā)的資金限制，利益和風(fēng)險(xiǎn)也是共享的，一定程度上激發(fā)了企業(yè)創(chuàng)新的積極性。日本政府一方面通過立法的形式保障技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟的運(yùn)行，另一方面給予了大量政府補(bǔ)助，為成員企業(yè)減輕負(fù)擔(dān)，降低資金風(fēng)險(xiǎn)，從而調(diào)動(dòng)更多企業(yè)參與技術(shù)創(chuàng)新的積極性。這種聯(lián)合研發(fā)體的形式有效地促進(jìn)了新材料的成果應(yīng)用，而我國(guó)目前促進(jìn)上下游供需對(duì)接仍不完善，制約了液態(tài)金屬的應(yīng)用。

3 發(fā)展建議

3.1 強(qiáng)化技術(shù)攻關(guān)：組建聯(lián)合研發(fā)體，降低研發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)

我國(guó)在液態(tài)金屬領(lǐng)域擁有原創(chuàng)技術(shù)，但領(lǐng)域偏窄且優(yōu)勢(shì)并不突出，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還是有較大差距。建議國(guó)內(nèi)從事液態(tài)金屬研究的高校、科研院所組建聯(lián)合研發(fā)體，實(shí)現(xiàn)資源和信息共享，重點(diǎn)突破液態(tài)金屬薄膜制備、腐蝕與防護(hù)、不同環(huán)境下物理性能特征等核心關(guān)鍵技術(shù)，以及集成電路板功能結(jié)構(gòu)一次成型等應(yīng)用技術(shù)，從而縮小部分技術(shù)代差。在聯(lián)合研發(fā)體建設(shè)初期，建議由政府主導(dǎo)，通過政府和企業(yè)共同管理，運(yùn)營(yíng)經(jīng)費(fèi)按照一定比例分?jǐn)?，研發(fā)成果由參與出資的成員企業(yè)共享。政府通過立法等方式，確定研發(fā)體的運(yùn)營(yíng)合法性，保護(hù)成員企業(yè)的合法權(quán)益。

3.2 引導(dǎo)資本支持：推動(dòng)各項(xiàng)稅收優(yōu)惠和補(bǔ)助落地，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

建議對(duì)符合高新技術(shù)企業(yè)條件的液態(tài)金屬企業(yè)，全面享受各項(xiàng)稅收優(yōu)惠政策。篩選一批液態(tài)金屬領(lǐng)域首批次重點(diǎn)新材料產(chǎn)品，從專項(xiàng)資金中予以重點(diǎn)獎(jiǎng)勵(lì)，扶持企業(yè)加快新產(chǎn)品、新裝備研發(fā)，促進(jìn)推廣應(yīng)用。建立經(jīng)濟(jì)主管部門、重點(diǎn)企業(yè)與金融機(jī)構(gòu)定期溝通對(duì)接機(jī)制。由企業(yè)提出融資需求，政府部門引導(dǎo)金融機(jī)構(gòu)信貸資金加大對(duì)重點(diǎn)項(xiàng)目、企業(yè)的支持力度，金融機(jī)構(gòu)幫助企業(yè)及時(shí)了解金融產(chǎn)品和相關(guān)服務(wù)。由政府牽頭，成立初創(chuàng)企業(yè)信用保證基金，為企業(yè)提供增信擔(dān)保；完善信用保證基金的風(fēng)險(xiǎn)責(zé)任追究制度，防范金融風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 加強(qiáng)供需對(duì)接：構(gòu)建技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)，健全完善協(xié)同創(chuàng)新體系

針對(duì)液態(tài)金屬應(yīng)用推廣難的問題，建議以政府、協(xié)會(huì)等組織建設(shè)相關(guān)行業(yè)技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)，加強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用的供需對(duì)接，將材料技術(shù)研發(fā)和下游應(yīng)用高度契合。聚合產(chǎn)業(yè)鏈力量，加強(qiáng)材料企業(yè)和應(yīng)用商的創(chuàng)新體系建設(shè)，開展新材料和終端產(chǎn)品委托開發(fā)、應(yīng)用驗(yàn)證、知識(shí)產(chǎn)權(quán)共享等服務(wù)。完善保險(xiǎn)補(bǔ)償機(jī)制，對(duì)應(yīng)用示范的風(fēng)險(xiǎn)控制和分擔(dān)作出制度性安排；鼓勵(lì)保險(xiǎn)公司開發(fā)面向科技型孵化機(jī)構(gòu)的保險(xiǎn)產(chǎn)品，給予高技術(shù)門檻、高風(fēng)險(xiǎn)性的新材料初創(chuàng)企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)補(bǔ)償，助力液態(tài)金屬邁過“死亡之谷”。