芯片研究新進(jìn)展性能提高50倍——自帶冷卻系統(tǒng)的晶體管

集成了微流體冷卻系統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片可能會帶來目前實驗室外無法實現(xiàn)的效率。

如今，密集包裝的電子設(shè)備會產(chǎn)生大量熱量。問題在于，熱量是管理和排放的昂貴資源，而保持系統(tǒng)冷卻也是如此。數(shù)據(jù)中心尤其感到痛苦，其中一些消耗的能源和水與整個城市一樣多。實際上，Microsoft為了抵制數(shù)據(jù)中心的高溫，將其放在海底以保持涼爽。

現(xiàn)在，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究人員希望通過將液體冷卻通道直接集成到半導(dǎo)體芯片中來減少電力電子設(shè)備中的熱量及其后續(xù)資源消耗。這將使它們更小，更便宜，更高效。

他們的研究已發(fā)表在《自然》雜志上，描述了EPFL團(tuán)隊如何開發(fā)其集成的微流體技術(shù)以及可以有效管理晶體管產(chǎn)生的大熱通量的電子設(shè)備。

將冷卻直接集成到芯片中

傳統(tǒng)上，電子和熱管理系統(tǒng)是彼此獨立設(shè)計和開發(fā)的。但是，根據(jù)EPFL電氣工程學(xué)教授Elison Matioli的說法，這會造成效率低下，因為熱量必須經(jīng)過很長的距離傳播并通過多種材料才能被清除。

作為更有效的替代方法，Matioli和他在EPFL的團(tuán)隊開發(fā)了一種低成本的工藝，該工藝將微流體冷卻通道的三維（3D）網(wǎng)絡(luò)直接集成到硅芯片中。

其背后的想法是，流體的排熱性能要比空氣好得多，并且通過將這些通道放置在距離芯片最熱區(qū)域僅幾微米的地方，它們可以有效地散發(fā)熱量并消除其他冷卻方法。

微流體通道的位置非?？拷w管的熱點，從而可以在正確的位置提取熱量，以實現(xiàn)最高效率。圖片由EPFL提供

與以前報道的微流體冷卻技術(shù)不同，EPFL團(tuán)隊“從一開始就”設(shè)計了電子設(shè)備和冷卻系統(tǒng)。這意味著微通道位于每個晶體管器件的活動區(qū)域的正下方（在該區(qū)域中產(chǎn)生的熱量最多），冷卻效率提高了50倍。

相反，先前對微通道冷卻系統(tǒng)的嘗試是通過分別構(gòu)建兩個零件，然后將它們彼此粘合，從而增加了耐熱性。

工藝：氣體蝕刻技術(shù)

在這項研究中，EPFL研究人員在涂覆在硅基板上的氮化鎵（GaN）層中蝕刻了30微米長，115微米深的微米級狹縫。使用氣體蝕刻技術(shù)，這些狹縫在硅基板中加寬以形成用于泵送液體冷卻劑的通道。

研究人員使用以下設(shè)置來評估熱工液壓性能。圖片由自然提供

然后將這些狹縫用銅密封，并將芯片本身構(gòu)建在頂部。“我們在與每個晶體管接觸的晶圓的微小區(qū)域上只有微通道，” Matioli說。他補充說，這使該技術(shù)特別有效，因為只需很少的泵送功率就可以吸收大量熱量。

性能提高50倍

為了證明其芯片的可行性，研究人員構(gòu)建了由四個肖特基二極管組成的AC-DC整流器電路。這種類型的電路通常需要一個大的散熱器，但是在集成冷卻系統(tǒng)的情況下，芯片位于一個小PCB上，該PCB由三層組成，上面刻有用于冷卻劑輸送的通道。

該測試的結(jié)果表明，密度僅為1,700 cm2的設(shè)備上的熱點可以僅用0.57 W / cm2的泵浦功率進(jìn)行冷卻，與以前報道的微流體冷卻技術(shù)相比，性能提高了50倍。
【譯】【轉(zhuǎn)載】