晶片級微流體熱控技術

2021-01-19 熱設計技術

 

      從本質上講，美國國防預研計劃局（DARPA）視熱控技術與其他晶片設計技術同等重要，使用嵌入式晶片級熱管理技術可以提高軍用電子設備的性能。DARPA表示，在晶片集成對流或微流體冷卻技術非常有潛力，可以加快先進晶片集成的技術革新。

 

 

DARPA最近發布了一份關於晶片級微流體熱控技術的項目，旨在為軍用電子設備探索革命性熱管理技術，幫助設計師大幅削減電子產品的大小、重量和功耗，以便加強國防電子設備性能。

 

DARPA表示該項目使RF MMIC和高性能嵌入式計算板的熱流密度達到1千瓦/平方釐米，熱能密度達到1千瓦/立方釐米。總體來說，該項目旨在將晶片內/晶片間微流體冷卻技術和晶片上熱傳導技術應用到RF MMIC和功能強大的嵌入式計算板。該項目研製出了微流體散熱片，尺寸僅為250微米厚、5毫米長和2.5毫米寬，所含冷卻水量不足一滴，但已足夠冷卻最熱的電路晶片，這將有望提高電子、雷達以及雷射器的功率和性能。

 

 

在該項目的第一階段，洛·馬公司驗證了嵌入式微流體冷卻方法的有效性。晶片平均散熱能力達到1KW/cm2，多個局部熱點的散熱能力達到30KW/cm2，大約是常規晶片所產生熱量密度的4~5倍。

   

    在該項目的第二階段，研究團隊已經將重點轉移到冷卻高功率的RF放大器，來驗證通過改善散熱控制能夠有效提升性能。利用晶片級微流體熱控技術，能夠使一個給定的RF在輸出功率增加6倍的情況下，依然能夠保持比傳統冷卻的相同器件的溫度還要低。

在其不斷努力以從實驗室轉移該技術到應用領域，洛克希德·馬丁公司正在開發一個功能齊全的、微流冷卻的、發射天線原型，以增加該技術的可讀指數（TRL）。這將為未來電子系統的可能性插件打下基礎。

當今最先進的各種系統由數以千計的電子元件構成，如果沒有創新的冷卻技術，這些系統就會由於散熱問題而無法正常工作。洛克希德·馬丁公司正在與DARPA的微系統技術辦公室（MTO）就其晶片級微流體熱控技術應用展開合作，這項研究可能最終實現一種更輕便、更快速並且更便宜的方式來冷卻高功率的微晶片，即利用通過利用細微的水滴來冷卻晶片。該技術已經應用於電子作戰、雷達、高性能計算機和數據伺服器。

 

洛克希德·馬丁公司的工程師組成的核心團隊正在開發一種能夠滿足晶片級微流體熱控技術項目目標的產品，能夠提升射頻（RF）MMIC功率放大器以及嵌入式高性能計算系統的性能，通過晶片級的散熱性能和高性能嵌入式計算系統技術。洛·馬公司實驗證明其微流體冷卻方法將可以減少四倍的熱阻和相比於常規冷卻技術六倍的冷卻效果，可提高RF輸出功率的有效性。

 

使用當前的技術，我們可以投入微晶片功率是有限的，其中一個最大的挑戰就是散熱問題。如果可以有效控制散熱，就可以使用較少的晶片實現相同的功能，這意味著採用更少的材料，即節省成本，並減少系統的尺寸和重量。或者使用相同的晶片數量，如果能夠有效控制散熱問題，就可以使得系統獲得更高的性能。

 

洛克希德·馬丁公司正在與Qorvo合作，嘗試將其技術與Qorvo的高性能氮化鎵處理器進行整合，通過消除熱屏障來控制GaN的全RF功率處理能力，這將有助於通過消除目前散熱對氮化鎵半導體性能的影響。洛克希德·馬丁公司的技術也適用於任何高熱流密度的集成電路，如現有砷化鎵（GaAs）和未來的金剛石基氮化鎵（GaN）器件應用。

 

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