晶片內集成的液冷系統：散熱效果好，有助於電子產品進一步小型化

2020-09-12 環球創新智慧

導讀

據瑞士洛桑聯邦理工學院官網近日報導，該校研究人員公布了其首個在晶片中集成的液體冷卻系統。與傳統冷卻方式相比，這種新型冷卻方法具有卓越的冷卻效果，並且前景廣闊、可持續、低成本、高效益。

背景

如今，小型化已成為電子產品最重要的發展趨勢之一。在電子產品內，控制電流與存儲信息的電晶體也在越變越小。著名的摩爾定律曾指出：「當價格不變時，集成電路上可容納的電晶體數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。」

摩爾定律-集成電路晶片上電晶體數量（1976-2016）（圖片來源：維基百科）

隨著電子產品越變越小，以及一顆晶片上容納的電晶體越變越多，如何控制電子產品所產生的熱量已經成為備受科研人員關注的重大問題之一。為了防止電子產品過熱並保持其高效運行，科研人員通常會採用液冷、風冷等散熱方法。

電腦內部的水冷裝置（圖片來源：維基百科）


電子產品降溫所用的風扇（圖片來源：維基百科）


然而，液冷和風冷技術都有自身的缺點。液冷技術需要耗費大量水資源，佔據一定空間；風冷技術製冷效果一般，會產生噪音，還會消耗額外電力。

近年來，研究人員開始探索將液冷技術直接嵌入到晶片內部，從而實現效果更好、效率更高的新製冷技術。可是，就目前的設計而言，晶片製造系統與冷卻系統仍然是相互獨立的，無法發揮出嵌入式冷卻系統的全部節能潛力。

創新

近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員將晶片系統設計與製冷系統設計這兩個獨立的設計步驟合為一步，開發出一種與電子器件集成在一起的微流體冷卻技術，可以有效地控制電晶體產生的大量熱量。

（圖片來源：EPFL）


他們的研究成果於9月9日發表在《自然》（Nature）雜誌上，將通向更加緊湊的電子器件，並實現在單顆晶片上將電源轉換器和幾個高壓器件集成到一起。

技術

在歐洲研究委員會資助的這個項目中， Elison Matioli 教授和他的博士生 Remco Van Erp 以及來自工學院功率和寬帶隙電子研究實驗室（POWERLAB）的團隊在設計電子器件時，開始真正地轉變思想，從一開始就希望將電子器件與製冷系統結合在一起，從而在器件中最熱的區域附近吸收熱量。Van Erp 表示：「我們想要結合電氣工程與機械工程方面的技能，創造出一種新型器件。」

團隊希望解決如何冷卻電子器件特別是電晶體的問題。Elison Matioli 表示：「控制由這些器件產生的熱量已成為電子產品發展道路上的最大挑戰之一。最大限度地減小對於環境的影響變得越來越重要，所以我們需要創新型的製冷技術，以可持續、低成本、高效益的方式有效地處理晶片產生的大量熱量。」

他們的技術是基於在半導體晶片內將微流體通道與電子器件集成到一起，讓冷卻的液體在電子晶片內部流動。Matioli 表示：「我們將微流體通道放置在非常靠近電晶體散熱點的位置，並採用簡單的集成製造工藝。這樣一來，我們就可以在正確的位置吸收熱量，並防止熱量擴散到整個器件中。」他們使用去離子水作為冷卻液，去離子水是不導電的。Van Erp 表示：「我們在實驗中選擇了這種液體，但是我們已經測試了其他更有效的液體，以便可以從電晶體中吸收更多的熱量。」

Matioli 表示：「這種冷卻技術將使我們能夠設計出更加緊湊的電子器件，並顯著地減少全球能耗。我們已經消除了對於大型外部散熱器的需求，而且這項研究還表明可以在單顆晶片中創造出超緊湊的電源轉換器。隨著當前社會對於電子產品依賴程度的不斷加深，這一設計將更有價值。」研究人員正在研究如何在雷射器和通信系統等其他器件中控制熱量。

關鍵詞

電晶體、製冷、微流體

參考資料

【1】Remco van Erp, Reza Soleimanzadeh, Luca Nela, Georgios Kampitsis, Elison Matioli. Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling. Nature, 2020; 585 (7824): 211 DOI: 10.1038/s41586-020-2666-1

【2】https://actu.epfl.ch/news/transistor-integrated-cooling-for-a-more-powerful-/

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