華人學者解讀：晶片散熱難題獲重要進展，未來潛力巨大

圖片來自V. Navikas

導 讀

最近，晶片的話題一直被國人關注，因為它是很多人的一塊 「芯痛」。圍繞著晶片，其散熱問題一直困擾著工業界，本周 Nature 發表了一篇論文較好地解決了這一難題。為此 Nature 邀請了來自史丹福大學機械工程系華人研究員魏體偉撰文評論。本文為《知識分子》邀請魏體偉對這一技術的中文解讀。

2015年，魏體偉加入歐洲微電子研究中心（imec），致力於為高性能系統開發低成本、高效率的電子冷卻解決方案，2020年魏體偉獲得imec和比利時荷語魯汶大學博士學位。目前，他的研究興趣包括用於高熱通量應用的衝擊射流冷卻和嵌入式微通道冷卻。

撰文 | 魏體偉

責編 | 葉水送

隨著對更強大、更高效和更小的功率電子器件的需求不斷增加，器件的功率密度變得越來越高，這對大功率器件的散熱提出了更高的挑戰。

總體上講，在數據中心，冷卻系統的功耗佔電力消耗的很大一部分。因此，探索具有高冷卻性能和低泵浦功率的節能冷卻設計，可以顯著地降低電力消耗和成本。

史丹福大學機械工程系納米傳熱研究組的博士後/研究員魏體偉

當前，用於連接晶片和晶片外接散熱器的導熱界面材料（TIM）是主要的散熱瓶頸。嵌入式微流體溝道冷卻器是在半導體襯底背面刻蝕出微流體通道，從而可以避免使用熱界面材料。

該微流體冷卻通道通常在器件襯底的背面進行溝道的蝕刻，這可以使液體冷卻劑更靠近有源器件。但採用直的、平行的微通道進行的嵌入式液體冷卻會在沿著通道的方向產生高的壓降和較大的溫度梯度。與平行微通道散熱方案相比，帶有歧管微通道散熱器的嵌入式液體冷卻顯示出對泵送功率要求和熱阻的大幅降低。

魏體偉在Nature上的評論文章

其實，帶有3D歧管散熱器冷卻器（EMMC）的嵌入式微通道已研究了很多年，但是面臨諸多挑戰：

從設計的角度來看，如果電熱的協同設計會避免出現過冷卻度，也就是過多地能量消耗。從製造的角度來看，半導體器件是通過傳統的半導體工藝製造的，和微流體散熱器的加工是分開的。後續的鍵合和組裝大大地增加了製造的複雜性、成本以及相關的可靠性問題。如人們嘗試使用幾種鍵合技術來連接半導體器件和微流體散熱裝置，這將大大增加製造成本。並且如果鍵合界面不好，則存在潛在的微流體洩露。

Matioli等人提出的微流體冷卻解決方案

洛桑聯邦理工學院 Elison Matioli 帶領的研究團隊提出了一種創新的製造方法，分別考慮了電氣設計和微流體冷卻解決方案設計：

首先，該製造方法具有潛在的低成本。由於現有的基於歧管的微通道冷卻解決方案分別考慮了歧管制造和微通道製造。這種單片集成的微流體冷卻器僅需要常規的製造過程就可以完成。簡化的製造過程，無需額外的鍵合工藝，使得該解決方案在經濟上變得可行；其次，該方案具有非常高的冷卻性能：與現有的歧管微通道散熱器相比，這種新的冷卻系統可實現更高的冷卻效率。其解決方案是消除了熱界面材料帶來的熱阻，使散熱微流體通道更靠近晶片熱源的下方；第三，這研究成果首次展示高性能單片多歧管微通道散熱器和氮化鎵器件的單片集成。

Matioli團隊設計的方法新穎且奠定了在同一整體結構中集成冷卻和電子器件的基礎。這種方法是原創和創新的，對於未來的電力電子應用具有巨大的潛力。