芯片散热技术重大创新,冷却性能暴增50倍!

电子设备广泛应用于日常生活中,从计算机到充电器、空调到混合动力电动汽车,甚至卫星等。对效率更高、功率更小的电子设备的需求的增加,意味着这些设备单位体积转换的功率量的急剧增加。这反过来又增加了设备单位面积产生的热量。这种方式产生的热量正成为一个大问题:美国的数据中心为冷却其计算机技术而消耗的能源和水,与费城(美国第五大城市)消耗的能源和水一样多。因此,热管理是电子设备面临的主要挑战之一。其中,将液体冷却直接嵌入到芯片内部是一种很高效的方法,然而,最先进的微流体冷却系统在设计和构造上都是与电子芯片分开的,这使得液体通道无法集成到电路中,在热点地区提供直接冷却。这种集成大大增加了芯片制造的复杂性,同时会增加成本。

近日,瑞士洛桑联邦理工学院的Elison Matioli课题组提出了一种单片集成型流形微通道(monolithically integrated manifold microchannel, mMMC)的策略,通过在同一半导体基底上共同设计微流体和电子元件,制备了一种带有集成的微流体冷却系统的电子设备,在抽运功率(pumping power)仅为0.57 瓦特每平方厘米(W cm-2)时,能够冷却高达1.7 千瓦每平方厘米的热通量(heat flux),超过了所有当前已报道的冷却系统。在超过1 千瓦每平方厘米的热通量下,作者观察到了超过10 000的制冷性能系数(coefficient of performance, COP)。比直接的微通道提高了50倍,努塞尔数(Nusselt number)达到了16。这项冷却技术将使电子产品进一步小型化,有可能延续摩尔定律,并大大降低电子产品冷却的能耗。此外,通过消除对大型外部散热片的需要,这种方法使得在单个芯片上集成功率转换器成为了可能。该研究以题为“Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling”的论文发表在最新一期的《Nature》上。

【芯片-冷却一体化结构图示】

作者将嵌入式流形微通道(embedded manifold microchannels, EMMC)与芯片集成到一个裸片(die)上,设计制备了一种单片集成型流形微通道(mMMC)结构(图1a)。这些微通道直接埋在了芯片下方,使得冷却剂能够直接在热源下面流动。该结构的制备过程主要为以下三个步骤:(1)在涂有半导体氮化镓(GaN)层的硅基底上蚀刻狭窄的缝隙;缝隙的深度决定了微通道的深度。接下来,用一种称为各向同性气体蚀刻的工艺在硅基底中的缝隙的宽度进行拓宽,直至理想的微通道的宽度。这一过程也将各较短微通道连接成长的微通道系统。最后,用铜将微通道顶端处GaN层的开口封住。然后在氮化镓层中制造电子器件。

《Nature》:芯片散热技术重大创新,冷却性能暴增50倍!
图1 mMMC结构的设计制备与表征

 

在冷却实验中,作者以去离子水作为冷却剂。与传统的直线平行微通道(straight, parallel microchannels, SPMC)相比,mMMC结构在表面温度和入口温度之间的总热阻Rtotal更低,接近了水冷却的极限。总热阻Rtotal可以分为与冷却剂比热容相关的Rheat,与微通道中的对流传热有关的Rconv以及与传热有关的Rcond。图2b显示微通道的尺寸对Rconv影响很大。

然而,微通道越窄,实现相同冷却剂流量的所需的压力就越大。在流量为0.5 ml s-1时,微通道宽度为100、50以及25 μm的SPMC结构所需的压力分别为160、260以及810 mbar。而mMMC结构减小了通过微通道的流道长度,从而大大降低了所需压力(图2c)。

这意味着mMMC结构在降低抽运功率的情况下能够达到更低的热阻。与其他微通道散热技术相比,mMMC技术具有明显的优势。在780 W cm-2的热通量下,mMMC结构的冷却性能是传统SPMC结构的50倍,展示了在节能冷却方面的巨大潜力(图2f)。

【芯片-冷却一体化结构的冷却性能】

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图2 mMMC结构冷却性能表征

 

【基于芯片-冷却一体化结构的交流-直流转换器冷却性能】

 作者还将这种mMMC结构应用到了交流-直流电流转换器中。实验显示在抽运功率仅为0.57 W cm-2时,能够冷却高达1.7 kW cm-2的热通量。此外,由于消除了自热引起的性能衰减,这种mMMC结构的转换器比其他没有冷却系统的转换器的转换效率更高(图3f,g)。

《Nature》:芯片散热技术重大创新,冷却性能暴增50倍!
图3 mMMC结构的交流-直流转换器性能表征

 

总结:作者通过在同一半导体基底上共同设计微流体和电子元件,制备了一种带有集成的微流体冷却系统的mMMC结构的电子设备,在抽运功率仅为0.57 W cm-2时,能够冷却高达1.7 kW cm-2的热通量,超过了所有当前已报道的冷却系统。这项冷却技术将使电子产品进一步小型化,有可能扩展摩尔定律,并大大降低电子产品冷却的能耗。此外,通过消除对大型外部散热片的需要,这种方法使得在单个芯片上集成功率转换器成为了可能。

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