如何減少電力電子設(shè)備損耗

現(xiàn)如今，密集的電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量是一種昂貴的資源消耗。為了使系統(tǒng)保持在合適的溫度以獲得最佳的計算性能，美國的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)消耗的能源和水的消耗量與費城的所有居民一樣多。現(xiàn)在，通過將液體冷卻通道直接集成到半導(dǎo)體芯片中，研究人員希望至少在電力電子設(shè)備中減少這種損耗，使其體積更小、成本更低、能耗更低。

傳統(tǒng)上，電子設(shè)備和熱管理系統(tǒng)是分開設(shè)計和制造的，瑞士洛桑?？茽柪砉W(xué)院的電氣工程教授Elison Matioli說。這給提高冷卻效率帶來了一個根本性的障礙，因為熱量必須在多個材料中傳播相對較長的距離才能去除。例如，在今天的處理器中，熱材料虹吸管將熱量從芯片轉(zhuǎn)移到體積龐大的風(fēng)冷銅散熱片上。

為了獲得更節(jié)能的解決方案，Matioli和他的同事開發(fā)了一種低成本的工藝，將微流控冷卻通道的3D網(wǎng)絡(luò)直接放入半導(dǎo)體芯片中。液體比空氣更能去除熱量，其想法是將冷卻液千分尺遠(yuǎn)離芯片熱點。

但與之前報道的微流控冷卻技術(shù)不同，他說：“我們從一開始就設(shè)計電子器件和冷卻系統(tǒng)?！币虼?，微通道就在每個晶體管器件的有源區(qū)下方，在那里它的溫度最高，這使冷卻性能提高了50倍。他們在近日的《自然》雜志上報道了他們的共同設(shè)計理念。

研究人員早在1981年就提出了微通道冷卻技術(shù)，而Cooligy等初創(chuàng)公司也一直在追求處理器的理念。但半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正從平面器件轉(zhuǎn)向三維器件，并朝著多層結(jié)構(gòu)的未來芯片發(fā)展，這使得冷卻通道變得不切實際。“這種嵌入式冷卻解決方案不適用于現(xiàn)代處理器和芯片，如CPU，”Tiwei Wei說，他在比利時的Interuniversity Microelectronics Center和KU Luuven研究電子冷卻解決方案?！跋喾?，這種冷卻技術(shù)對電力電子最有意義，”他說。

電力電子電路管理和轉(zhuǎn)換電能，廣泛應(yīng)用于計算機、數(shù)據(jù)中心、太陽能電池板和電動汽車等領(lǐng)域。他們使用了大面積分立器件，由寬禁帶半導(dǎo)體如氮化鎵制成。這些設(shè)備的功率密度在過去幾年里急劇上升，這意味著它們必須“與一個巨大的散熱器掛鉤”，Matoli說。

最近，電力電子模塊已經(jīng)轉(zhuǎn)向液體冷卻，無論是通過冷板還是微通道冷卻系統(tǒng)。但是，迄今為止，所有的微通道冷卻系統(tǒng)都是單獨制造的，然后與芯片結(jié)合。鍵合層增加了耐熱性，通道和電路設(shè)備不緊密對齊。

“我們把它提升到了下一個水平，”Matoli說，通過在同一芯片中制造設(shè)備和冷卻通道。他們在涂覆在硅襯底上的氮化鎵層中蝕刻微米寬的裂痕?？p長30μm，深115μm。利用特殊的氣體刻蝕技術(shù)，它們拓寬硅襯底上的縫隙，形成液體冷卻液通過的通道。

然后，研究人員利用銅密封氮化鎵層中的微小開口，在上面制造設(shè)備。他說：“我們只在晶圓的微小區(qū)域有微通道，這些微通道與每一個晶體管都有接觸。這使得這項技術(shù)更加有效，因為我們可以從附近提取大量的熱量，但我們使用的抽水功率非常小。”

作為演示，研究人員制作了一個由四個Schottky二極管組成的交流-直流整流電路，每個二極管可以處理1.2kV的電壓，像這樣的電路通常需要一個拳頭大小的散熱器。但是集成了液體冷卻系統(tǒng)的電路芯片安裝在一塊U盤大小的印刷電路板上，電路板由三層組成，上面刻有通道，將冷卻液輸送到芯片上。

該顯示表明，功率密度超過1700瓦/平方厘米的熱點，僅使用0.57瓦/平方厘米的泵送功率就可以冷卻。與之前報道的微流控通道冷卻相比，性能提高了50倍。

Wei說，“氮化鎵薄膜和銅密封層的可靠性應(yīng)該隨著時間的推移進行研究。但這種創(chuàng)新的冷卻解決方案是朝著“低成本、超緊湊和節(jié)能的電力電子冷卻系統(tǒng)”邁進的一大步?！?/p>

原文標(biāo)題：用微型管道打造電力電子設(shè)備可以節(jié)省大量資金

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