近年來，研究人員開始探索將液體冷卻模塊直接嵌入芯片內(nèi)部，以實現(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)分開處理的困境，從而無法發(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驗室（POWERlab）的 Elison Matioli 教授及其博士生 Remco Van Erp 等研究人員，在 Nature 上發(fā)表了一項最新研究成果，在芯片冷卻技術(shù)方面實現(xiàn)了新的突破。
研究人員使用微流體電子協(xié)同設(shè)計方案，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，生產(chǎn)出一個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 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，高速率低時延的移動通信網(wǎng)絡(luò)為超高密度的信息接入提供了便捷，與此同時也產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)，作為云計算基礎(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)式增長態(tài)勢，隨之而來的高能耗問題已然成為業(yè)界面臨的一大難題。
據(jù)統(tǒng)計，在一個傳統(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)隊致力于從觀念上真正實現(xiàn)改變電子設(shè)備的設(shè)計，在設(shè)計之初就開始通過構(gòu)思電子設(shè)備與冷卻結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計，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。”
微流體電子協(xié)同設(shè)計
隨著電子產(chǎn)品的集成度越來越高，不斷縮小的半導(dǎo)體器件在擁有更小、 更輕、更便攜等優(yōu)勢的同時，也產(chǎn)生了更高的熱通量，為冷卻技術(shù)帶來新的挑戰(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)換器小型化為單個芯片，因此被研究人員當(dāng)作解決這一問題的候選者。
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)隊希望解決如何冷卻電子設(shè)備（尤其是晶體管）的問題。Elison Matioli 說：“ 管理這些設(shè)備產(chǎn)生的熱量將是未來電子產(chǎn)品面臨的最大挑戰(zhàn)之一，最大限度地減少能源消耗對環(huán)境的影響變得越來越重要，因此我們需要在冷卻技術(shù)方面實現(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，研究人員開始探索使用冷卻劑與設(shè)備直接接觸的方式，來實現(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、沿著流動方向溫度分布均勻等優(yōu)點，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)計的單片集成的多歧管微通道（mMMC）散熱器，無需繁瑣的鍵合步驟即可生產(chǎn)。此處，器件的設(shè)計和散熱器的制造是在同一過程中結(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)的一個組成部分的設(shè)計，可以將冷卻性能提高幾個數(shù)量級。
“我們將微流體通道放置在非常靠近晶體管散熱點的位置，并采用簡單的集成制造工藝，實現(xiàn)在正確的位置提取熱量，并防止熱量散布到整個器件中 。” Matioli 說。
高冷卻性能
為準(zhǔn)確評估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，對冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱液分析，通過測量熱阻、壓降和冷卻性能系數(shù)（COP）來評估冷卻性能。
分析結(jié)果顯示，含有10個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：“我們在實驗中選擇了去離子水作為冷卻液，但我們已經(jīng)在測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，研究人員將一個全橋整流器集成到單個硅基氮化鎵（GaN－on－Si）功率器件上。研究發(fā)現(xiàn)，單相水冷式熱通量超過 1 KW／cm2時，其冷卻性能系數(shù)（COP）達(dá)到了前所未有的水平（超過 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。實際上，數(shù)據(jù)中心目前超過 30％ 用于冷卻的平均額外能源消耗，通過采用這種設(shè)計方法，可能會降到 0．01％ 以下。
同時，該研究進(jìn)一步說明，為了最大限度地實現(xiàn)節(jié)能，冷卻應(yīng)該是整個電子設(shè)備設(shè)計鏈中不可或缺的一部分，而不僅僅是一個事后的想法。
Matioli 說：“ 這種冷卻技術(shù)將使我們能夠設(shè)計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。這項設(shè)計可以直接去除當(dāng)前數(shù)據(jù)中心對于大型外部散熱器的需求，研究還表明可以在單個芯片中設(shè)計超緊湊型的電源轉(zhuǎn)換器。隨著當(dāng)前社會對于電子產(chǎn)品依賴程度的不斷加深，將更加彰顯出這一設(shè)計的社會價值。”
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。