北大王瑋教授團隊在芯片熱管理領(lǐng)域取得進展

來源：北京大學(xué)集成電路學(xué)院

隨著GaN為代表的新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料的廣泛應(yīng)用，功率器件的性能大幅度提高。然而受限于器件熱管理性能，目前GaN功率器件僅能發(fā)揮其理論性能的20%~30%。嵌入式微流體冷卻技術(shù)將微流體集成在器件內(nèi)部，避免了近乎所有的外部熱阻，利用流體的直接對流換熱完成熱量的高效運輸，因而具有強大的散熱能力，被認(rèn)為是未來最有可能突破熱管理瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，實際電子器件的器件結(jié)構(gòu)多為兩層以上的復(fù)合結(jié)構(gòu)，發(fā)熱模式也呈現(xiàn)出多尺寸趨勢，這對于散熱器的設(shè)計與制備提出了很大的挑戰(zhàn)，在熱設(shè)計時需要系統(tǒng)分析實際器件散熱路徑中的熱阻構(gòu)成，降低關(guān)鍵熱阻。

圖1可變尺寸發(fā)熱陣列電鏡圖

針對這一關(guān)鍵問題，北京大學(xué)集成電路學(xué)院、微米納米加工技術(shù)全國重點實驗室、集成電路高精尖創(chuàng)新中心王瑋教授團隊提出了一種雙“H”歧管型嵌入式微通道散熱方案，同時在該微通道散熱器上集成了尺度可調(diào)的發(fā)熱陣列，在不同工作模式下測試了微通道散熱器對于不同尺寸熱源的散熱性能。

經(jīng)過實測，該微通道散熱器針對500 × 500 μm2熱源的散熱熱流密度達到1200 W/cm2以上，平均溫升小于60℃，對流換熱系數(shù)達到1.5×105W/(m2?K)。此外，該工作還基于實驗數(shù)據(jù)構(gòu)建了熱流耦合仿真與理論模型，系統(tǒng)總結(jié)了在多場景下電子器件典型結(jié)構(gòu)中的熱匯熱阻、一維傳導(dǎo)熱阻和擴散熱阻的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在基底尺寸固定的情況下，熱點的尺寸從小到大的變化會導(dǎo)致器件中的主要熱阻從擴散熱阻轉(zhuǎn)變至熱匯熱阻，因此針對點熱源和面熱源需要根據(jù)其主要熱阻的轉(zhuǎn)變趨勢采用不同的散熱手段。

圖2器件熱阻與熱源大小、熱匯對流傳熱系數(shù)及介電層熱導(dǎo)率的關(guān)系

該研究進一步深入探索了不同尺寸熱源熱管理的關(guān)鍵手段，當(dāng)熱源為點熱源形式時（如高電子遷移率晶體管（HEMT）），主要熱阻為擴散熱阻，此時在熱源近結(jié)區(qū)集成高導(dǎo)熱材料是降低熱阻的重要方式。在特定熱點尺寸下，近結(jié)集成諸如單晶金剛石等高導(dǎo)熱材料，較于氧化硅等低導(dǎo)熱材料，總熱阻可以降低兩個數(shù)量級。當(dāng)熱源為面熱源形式時（如高性能AI計算芯片），主要熱阻為熱匯熱阻，此時增強器件基底的對流換熱能力是提升該類器件散熱性能的重要方式，如通過優(yōu)化微通道結(jié)構(gòu)，增強熱匯換熱能力可以有效降低此類器件的熱阻。該工作通過實驗和理論計算解析了典型電子器件中的熱阻構(gòu)成并提出了相應(yīng)的解決辦法，為下一代具有復(fù)雜發(fā)熱模式的芯片與集成芯片系統(tǒng)的熱設(shè)計帶來新的理解和思路。

相關(guān)成果以“Optimization of embedded cooling for hotspots based on compound plate thermal spreading model”發(fā)表在傳熱學(xué)頂刊《國際傳熱傳質(zhì)》(International Journal of Heat and Mass Transfer)上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125866

北京大學(xué)集成電路學(xué)院2022級博士生杜建宇為文章的第一作者，北京大學(xué)集成電路學(xué)院張馳助理研究員、中國電科第二十六研究所余懷強研究員為通訊作者，該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、重點實驗室基金的支持。這也是王瑋教授團隊圍繞先進封裝領(lǐng)域熱管理方向在《國際傳熱傳質(zhì)》期刊上連續(xù)發(fā)表的第5篇文章。王瑋教授團隊長期致力先進封裝中熱管理技術(shù)的研究，從仿真、實驗、理論方面進行了一系列卓有成效的探索。團隊在高密度封裝體內(nèi)的快速熱仿真技術(shù)、嵌入式微流體冷卻技術(shù)、多孔薄膜兩相冷卻技術(shù)上的研究成果連續(xù)多年在傳熱學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《國際傳熱傳質(zhì)》、電子元器件封裝領(lǐng)域頂級國際會議IEEE Electronic Components and Technology Conference （ECTC）上發(fā)表，并取得多項國際先進散熱指標(biāo)——多芯片散熱模組（散熱功率>3kW，溫升<100℃，IEEEiTherm 2022），單芯片散熱（散熱功率>1kW，溫升<60℃，IEEEECTC 2024）等。

審核編輯 黃宇