模仿人體毛細血管設計新型電子冷卻系統，未來應用前景廣泛

隨著電子產品越來越小，密度越來越大，工作中的它們也變得越來越熱。它們的組件在高溫下不能發揮最好的作用，而如何處理電子流過半導體時產生的不斷上升的熱量，是一項艱巨且日益緊迫的技術挑戰。

冷卻部件的方法有很多種，從簡單的風扇冷卻換熱器到更緊湊和複雜的系統。後者包括在半導體晶片上安裝一個微小的裝置，這個裝置有流體輸送的微通道，通過微通道將熱量帶走。這些通道必須儘可能小，以便在單個晶片上安裝更多的通道。但是通道越小，液體流動所需的壓力就越大，這個壓力需要大量的能量。

現在，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的科學家們說，他們已經開發出一種新技術，使這種系統更節能。在這種新穎的方法中，微通道網絡的結構設計靈感來自於人體循環系統，它是在半導體內部構建的，而不是隨後附著在半導體上。這項發現被發表在了《自然》雜誌上。

EPFL電子工程研究所的教授elisonmatioli和他的同事們使用了一種晶片，該晶片由一種叫做氮化鎵（鎵）的半導體材料薄層組成，覆蓋在較厚的矽襯底上。在普通晶片中，這種襯底只支持氮化鎵層。但在新的系統中，微通道被刻在基板上，並與晶片中最容易發熱的部分精確對齊。

為了解決通過微小通道泵送水或另一種冷卻液所需的高能量問題，研究人員設計了一種由較寬通道組成的分配網絡，該網絡僅在熱量集中的精確位置變窄。這種安排大大減少了所需的總能量。

馬蒂奧利說：「這就像人體的循環系統，由較大的血管組成，血管只會變薄，在身體的某些部位轉化為毛細血管。

這種方法的主要突破是一種創新的製造方法，將電子和冷卻結構集成到一個單一的製造過程中。這種集成有助於使微通道更接近特定過熱區域，更有效地冷卻物體。

這項成果彌合了電力電子和電子製冷兩者間的鴻溝。

熱工程通常是事後考慮，只有在電氣系統設計好之後才考慮。但是威廉·金教授指出一些研究小組已經開始考慮電子和冷卻解決方案的共同開發。

威廉·金說，這篇論文展示了一個重要的貢獻，真正證明了什麼是可能的。這項研究的下一步應該是證明在其他材料中使用微流控冷卻通道是可能的，並探索更先進的三維幾何形狀的可能性。隨著這個概念的成熟，相信這些設計將越來越像來自人體循環系統的毛細血管網絡，在分支結構中大通道與小通道相連。

威廉·金指出，運行中的發熱是所有類型電子設備發展的一個掣肘，尤其是電力電子設備，如混合動力、電動汽車、電網和通信設備。

馬蒂奧利說：「原則上，這項技術可以應用於所有類型的電子產品。例如，冷卻電腦晶片，太陽能電池板或電動汽車等具有高功率密度的應用。」他補充說，這不太可能為所有電子產品提供一個實用的解決方案，因為在某些應用中，讓液體在電子部件內部循環是不可取的。

馬蒂奧利認為這項技術在數據中心具有巨大的潛力，數據中心消耗大量的能量，其中大部分能量用於冷卻系統。他說，光是美國所有的數據中心，用電和水的量就相當於費城這樣一個城市的住宅需求。平均而言，數據中心使用的30%的能源用於冷卻。他認為，採用新方法，這筆開支會大幅下降。