芯片研究新進(jìn)展性能提高50倍——自帶冷卻系統(tǒng)的晶體管

集成了微流體冷卻系統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片可能會(huì)帶來(lái)目前實(shí)驗(yàn)室外無(wú)法實(shí)現(xiàn)的效率。

如今，密集包裝的電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量熱量。問(wèn)題在于，熱量是管理和排放的昂貴資源，而保持系統(tǒng)冷卻也是如此。數(shù)據(jù)中心尤其感到痛苦，其中一些消耗的能源和水與整個(gè)城市一樣多。實(shí)際上，Microsoft為了抵制數(shù)據(jù)中心的高溫，將其放在海底以保持涼爽。

現(xiàn)在，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究人員希望通過(guò)將液體冷卻通道直接集成到半導(dǎo)體芯片中來(lái)減少電力電子設(shè)備中的熱量及其后續(xù)資源消耗。這將使它們更小，更便宜，更高效。

他們的研究已發(fā)表在《自然》雜志上，描述了EPFL團(tuán)隊(duì)如何開(kāi)發(fā)其集成的微流體技術(shù)以及可以有效管理晶體管產(chǎn)生的大熱通量的電子設(shè)備。

將冷卻直接集成到芯片中

傳統(tǒng)上，電子和熱管理系統(tǒng)是彼此獨(dú)立設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的。但是，根據(jù)EPFL電氣工程學(xué)教授Elison Matioli的說(shuō)法，這會(huì)造成效率低下，因?yàn)闊崃勘仨毥?jīng)過(guò)很長(zhǎng)的距離傳播并通過(guò)多種材料才能被清除。

作為更有效的替代方法，Matioli和他在EPFL的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種低成本的工藝，該工藝將微流體冷卻通道的三維（3D）網(wǎng)絡(luò)直接集成到硅芯片中。

其背后的想法是，流體的排熱性能要比空氣好得多，并且通過(guò)將這些通道放置在距離芯片最熱區(qū)域僅幾微米的地方，它們可以有效地散發(fā)熱量并消除其他冷卻方法。

微流體通道的位置非?？拷w管的熱點(diǎn)，從而可以在正確的位置提取熱量，以實(shí)現(xiàn)最高效率。圖片由EPFL提供

與以前報(bào)道的微流體冷卻技術(shù)不同，EPFL團(tuán)隊(duì)“從一開(kāi)始就”設(shè)計(jì)了電子設(shè)備和冷卻系統(tǒng)。這意味著微通道位于每個(gè)晶體管器件的活動(dòng)區(qū)域的正下方（在該區(qū)域中產(chǎn)生的熱量最多），冷卻效率提高了50倍。

相反，先前對(duì)微通道冷卻系統(tǒng)的嘗試是通過(guò)分別構(gòu)建兩個(gè)零件，然后將它們彼此粘合，從而增加了耐熱性。

工藝：氣體蝕刻技術(shù)

在這項(xiàng)研究中，EPFL研究人員在涂覆在硅基板上的氮化鎵（GaN）層中蝕刻了30微米長(zhǎng)，115微米深的微米級(jí)狹縫。使用氣體蝕刻技術(shù)，這些狹縫在硅基板中加寬以形成用于泵送液體冷卻劑的通道。

研究人員使用以下設(shè)置來(lái)評(píng)估熱工液壓性能。圖片由自然提供

然后將這些狹縫用銅密封，并將芯片本身構(gòu)建在頂部。“我們?cè)谂c每個(gè)晶體管接觸的晶圓的微小區(qū)域上只有微通道，” Matioli說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)，這使該技術(shù)特別有效，因?yàn)橹恍韬苌俚谋盟凸β示涂梢晕沾罅繜崃俊?/span>

性能提高50倍

為了證明其芯片的可行性，研究人員構(gòu)建了由四個(gè)肖特基二極管組成的AC-DC整流器電路。這種類(lèi)型的電路通常需要一個(gè)大的散熱器，但是在集成冷卻系統(tǒng)的情況下，芯片位于一個(gè)小PCB上，該P(yáng)CB由三層組成，上面刻有用于冷卻劑輸送的通道。

該測(cè)試的結(jié)果表明，密度僅為1,700 cm2的設(shè)備上的熱點(diǎn)可以?xún)H用0.57 W / cm2的泵浦功率進(jìn)行冷卻，與以前報(bào)道的微流體冷卻技術(shù)相比，性能提高了50倍。
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