單片集成的歧管微通道冷卻結(jié)構(gòu)高效改善芯片的散熱性能

近年來(lái)，研究人員開(kāi)始探索將液體冷卻模塊直接嵌入芯片內(nèi)部，以實(shí)現(xiàn)更加高效的制冷效果的新技術(shù)，但這一技術(shù)仍未解決電子設(shè)備和冷卻系統(tǒng)分開(kāi)處理的困境，從而無(wú)法發(fā)揮嵌入式冷卻系統(tǒng)的全部節(jié)能潛力。

9 月 9 日，來(lái)自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）電氣工程研究所功率和寬帶隙電子研究實(shí)驗(yàn)室（POWERlab）的 Elison Matioli 教授及其博士生 Remco Van Erp 等研究人員，在 Nature 上發(fā)表了一項(xiàng)最新研究成果，在芯片冷卻技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了新的突破。

研究人員使用微流體電子協(xié)同設(shè)計(jì)方案，在同一半導(dǎo)體的襯底內(nèi)將微流體和電子元器件進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，生產(chǎn)出一個(gè)單片集成的歧管微通道冷卻結(jié)構(gòu)，可以有效地管理晶體管產(chǎn)生的大熱通量。

研究結(jié)果表明，該冷卻結(jié)構(gòu)僅使用 0.57 瓦/平方厘米的泵送功率，就可以輸送超過(guò) 1.7 千瓦/平方厘米的熱通量，其冷卻效果超出當(dāng)前所使用的結(jié)構(gòu)的效果。

2019 年 5G 進(jìn)入正式商用以來(lái)，高速率低時(shí)延的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為超高密度的信息接入提供了便捷，與此同時(shí)也產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)，作為云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)中心，在規(guī)模和數(shù)量方面都呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，隨之而來(lái)的高能耗問(wèn)題已然成為業(yè)界面臨的一大難題。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一個(gè)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的總能耗中，制冷系統(tǒng)用于冷卻散熱的能耗占比達(dá) 30% 至 40% 。數(shù)據(jù)中心目前采用的冷卻技術(shù)主要包括冷凍水、泵送制冷劑、遏制通道、行和機(jī)架級(jí)空氣、液體冷卻等方式，需要消耗大量的能源和水資源。

Elison Matioli 教授團(tuán)隊(duì)致力于從觀念上真正實(shí)現(xiàn)改變電子設(shè)備的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)之初就開(kāi)始通過(guò)構(gòu)思電子設(shè)備與冷卻結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，目的是將設(shè)備中散熱最大的區(qū)域附近的熱量散發(fā)出去。

Van Erp 表示：“ 我們希望結(jié)合電氣和機(jī)械工程方面的技術(shù)，制造出一種新型設(shè)備?！?/p>

微流體電子協(xié)同設(shè)計(jì)

隨著電子產(chǎn)品的集成度越來(lái)越高，不斷縮小的半導(dǎo)體器件在擁有更小、 更輕、更便攜等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也產(chǎn)生了更高的熱通量，為冷卻技術(shù)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。

與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體相比，氮化鎵（GaN）之類的寬帶隙半導(dǎo)體可實(shí)現(xiàn)更小的壓鑄模，以及功率器件的單片集成，從而可以支持將完整的功率轉(zhuǎn)換器小型化為單個(gè)芯片，因此被研究人員當(dāng)作解決這一問(wèn)題的候選者。

先前大量的研究工作都聚焦在如何改善散熱區(qū)和冷卻劑之間的熱路徑上，但排熱能力從根本上受限于半導(dǎo)體的模具和封裝之間存在的熱阻。此外，由于電子設(shè)備不能密集封裝，不僅需要依賴更大的散熱器，而且會(huì)降低設(shè)備功率密度并阻礙半導(dǎo)體集成。

Elison Matioli 帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)希望解決如何冷卻電子設(shè)備（尤其是晶體管）的問(wèn)題。Elison Matioli 說(shuō)：“ 管理這些設(shè)備產(chǎn)生的熱量將是未來(lái)電子產(chǎn)品面臨的最大挑戰(zhàn)之一，最大限度地減少能源消耗對(duì)環(huán)境的影響變得越來(lái)越重要，因此我們需要在冷卻技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，以可持續(xù)、低成本、高效益的方式，有效地處理芯片產(chǎn)生的大量熱通量。”

于是，研究人員開(kāi)始探索使用冷卻劑與設(shè)備直接接觸的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的冷卻性能。歧管式微通道（MMC）熱沉憑借熱阻小、結(jié)構(gòu)緊湊、冷卻液流量小、流速低、沿著流動(dòng)方向溫度分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，成為備選方案。

研究人員提出了在具有外延層的單晶硅襯底上設(shè)計(jì)的單片集成的多歧管微通道（mMMC）散熱器，無(wú)需繁瑣的鍵合步驟即可生產(chǎn)。此處，器件的設(shè)計(jì)和散熱器的制造是在同一過(guò)程中結(jié)合在一起，冷卻通道直接嵌入在芯片的有效區(qū)域下方。因此，冷卻劑可以直接撞擊熱源，提供局部和有效的散熱。

協(xié)同設(shè)計(jì)的微流體冷卻電子設(shè)備結(jié)構(gòu)圖及各角度視圖

研究結(jié)果表明，這種將冷卻作為設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的一個(gè)組成部分的設(shè)計(jì)，可以將冷卻性能提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

“我們將微流體通道放置在非?？拷w管散熱點(diǎn)的位置，并采用簡(jiǎn)單的集成制造工藝，實(shí)現(xiàn)在正確的位置提取熱量，并防止熱量散布到整個(gè)器件中 。” Matioli 說(shuō)。

高冷卻性能

為準(zhǔn)確評(píng)估MMC結(jié)構(gòu)的冷卻設(shè)備的冷卻性能，研究人員使用去離子水作為冷卻劑，對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱液分析，通過(guò)測(cè)量熱阻、壓降和冷卻性能系數(shù)（COP）來(lái)評(píng)估冷卻性能。

分析結(jié)果顯示，含有10個(gè)歧管的微通道冷卻結(jié)構(gòu)能夠允許高達(dá) 1723 W/cm2 的熱通量，最大溫升可達(dá) 60 K，相當(dāng)于 25μm 寬的平行微通道（SPMC）的兩倍。

Van Erp 說(shuō)：“我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中選擇了去離子水作為冷卻液，但我們已經(jīng)在測(cè)試其他更有效的液體，以便可以從晶體管中吸收更多的熱量。”

為了測(cè)試半導(dǎo)體器件中嵌入式冷卻結(jié)構(gòu)的潛力，研究人員將一個(gè)全橋整流器集成到單個(gè)硅基氮化鎵（GaN-on-Si）功率器件上。研究發(fā)現(xiàn)，單相水冷式熱通量超過(guò) 1 KW/cm2時(shí)，其冷卻性能系數(shù)（COP）達(dá)到了前所未有的水平（超過(guò) 10000），與平行微通道相比增加了 50 倍。

圖 嵌入式冷卻結(jié)構(gòu)的集成全橋整流器結(jié)構(gòu)

為充分利用高性能微通道冷卻結(jié)構(gòu)的緊密度，研究人員開(kāi)發(fā)了帶有嵌入式冷卻液輸送通道的三層 PCB 電路板，用于引導(dǎo)冷卻劑進(jìn)入電子元器件。實(shí)際上，數(shù)據(jù)中心目前超過(guò) 30% 用于冷卻的平均額外能源消耗，通過(guò)采用這種設(shè)計(jì)方法，可能會(huì)降到 0.01% 以下。

同時(shí)，該研究進(jìn)一步說(shuō)明，為了最大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能，冷卻應(yīng)該是整個(gè)電子設(shè)備設(shè)計(jì)鏈中不可或缺的一部分，而不僅僅是一個(gè)事后的想法。

Matioli 說(shuō)：“ 這種冷卻技術(shù)將使我們能夠設(shè)計(jì)出更加緊密的電子設(shè)備，并可以大大減少全球因系統(tǒng)冷卻而消耗的能源。這項(xiàng)設(shè)計(jì)可以直接去除當(dāng)前數(shù)據(jù)中心對(duì)于大型外部散熱器的需求，研究還表明可以在單個(gè)芯片中設(shè)計(jì)超緊湊型的電源轉(zhuǎn)換器。隨著當(dāng)前社會(huì)對(duì)于電子產(chǎn)品依賴程度的不斷加深，將更加彰顯出這一設(shè)計(jì)的社會(huì)價(jià)值。”

目前，研究人員正在研究如何管理激光和通訊系統(tǒng)等其他設(shè)備中的熱量。

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