《Nature》：晶片散熱技術重大創新，冷卻性能暴增50倍

2020-09-12 高分子科學前沿

電子設備廣泛應用於日常生活中，從計算機到充電器、空調到混合動力電動汽車，甚至衛星等。對效率更高、功率更小的電子設備的需求的增加，意味著這些設備單位體積轉換的功率量的急劇增加。這反過來又增加了設備單位面積產生的熱量。這種方式產生的熱量正成為一個大問題:美國的數據中心為冷卻其計算機技術而消耗的能源和水，與費城（美國第五大城市）消耗的能源和水一樣多。因此，熱管理是電子設備面臨的主要挑戰之一。其中，將液體冷卻直接嵌入到晶片內部是一種很高效的方法，然而，最先進的微流體冷卻系統在設計和構造上都是與電子晶片分開的，這使得液體通道無法集成到電路中，在熱點地區提供直接冷卻。這種集成大大增加了晶片製造的複雜性，同時會增加成本。

近日，瑞士洛桑聯邦理工學院的Elison Matioli課題組提出了一種單片集成型流形微通道（monolithically integrated manifold microchannel, mMMC）的策略，通過在同一半導體基底上共同設計微流體和電子元件，製備了一種帶有集成的微流體冷卻系統的電子設備，在抽運功率（pumping power）僅為0.57 瓦特每平方釐米（W cm-2）時，能夠冷卻高達1.7 千瓦每平方釐米的熱通量（heat flux），超過了所有當前已報導的冷卻系統。在超過1 千瓦每平方釐米的熱通量下，作者觀察到了超過10 000的製冷性能係數（coefficient of performance, COP）。比直接的微通道提高了50倍，努塞爾數（Nusselt number）達到了16。這項冷卻技術將使電子產品進一步小型化，有可能延續摩爾定律，並大大降低電子產品冷卻的能耗。此外，通過消除對大型外部散熱片的需要，這種方法使得在單個晶片上集成功率轉換器成為了可能。該研究以題為「Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling」的論文發表在最新一期的《Nature》上。

【晶片-冷卻一體化結構圖示】

作者將嵌入式流形微通道（embedded manifold microchannels, EMMC）與晶片集成到一個裸片（die）上，設計製備了一種單片集成型流形微通道（mMMC）結構（圖1a）。這些微通道直接埋在了晶片下方，使得冷卻劑能夠直接在熱源下面流動。該結構的製備過程主要為以下三個步驟：（1）在塗有半導體氮化鎵（GaN）層的矽基底上蝕刻狹窄的縫隙；縫隙的深度決定了微通道的深度。接下來，用一種稱為各向同性氣體蝕刻的工藝在矽基底中的縫隙的寬度進行拓寬，直至理想的微通道的寬度。這一過程也將各較短微通道連接成長的微通道系統。最後，用銅將微通道頂端處GaN層的開口封住。然後在氮化鎵層中製造電子器件。

圖1 mMMC結構的設計製備與表徵

在冷卻實驗中，作者以去離子水作為冷卻劑。與傳統的直線平行微通道（straight, parallel microchannels, SPMC）相比，mMMC結構在表面溫度和入口溫度之間的總熱阻Rtotal更低，接近了水冷卻的極限。總熱阻Rtotal可以分為與冷卻劑比熱容相關的Rheat，與微通道中的對流傳熱有關的Rconv以及與傳熱有關的Rcond。圖2b顯示微通道的尺寸對Rconv影響很大。然而，微通道越窄，實現相同冷卻劑流量的所需的壓力就越大。在流量為0.5 ml s-1時，微通道寬度為100、50以及25 μm的SPMC結構所需的壓力分別為160、260以及810 mbar。而mMMC結構減小了通過微通道的流道長度，從而大大降低了所需壓力（圖2c）。這意味著mMMC結構在降低抽運功率的情況下能夠達到更低的熱阻。與其他微通道散熱技術相比，mMMC技術具有明顯的優勢。在780 W cm-2的熱通量下，mMMC結構的冷卻性能是傳統SPMC結構的50倍，展示了在節能冷卻方面的巨大潛力（圖2f）。

【晶片-冷卻一體化結構的冷卻性能】

圖2 mMMC結構冷卻性能表徵

【基於晶片-冷卻一體化結構的交流-直流轉換器冷卻性能】

作者還將這種mMMC結構應用到了交流-直流電流轉換器中。實驗顯示在抽運功率僅為0.57 W cm-2時，能夠冷卻高達1.7 kW cm-2的熱通量。此外，由於消除了自熱引起的性能衰減，這種mMMC結構的轉換器比其他沒有冷卻系統的轉換器的轉換效率更高（圖3f,g）。

圖3 mMMC結構的交流-直流轉換器性能表徵

總結：作者通過在同一半導體基底上共同設計微流體和電子元件，製備了一種帶有集成的微流體冷卻系統的mMMC結構的電子設備，在抽運功率僅為0.57 W cm-2時，能夠冷卻高達1.7 kW cm-2的熱通量，超過了所有當前已報導的冷卻系統。這項冷卻技術將使電子產品進一步小型化，有可能擴展摩爾定律，並大大降低電子產品冷卻的能耗。此外，通過消除對大型外部散熱片的需要，這種方法使得在單個晶片上集成功率轉換器成為了可能。

來源：高分子科學前沿

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