無論是手機、電腦，還是電動車、衛(wèi)星，人類生活似乎已經(jīng)離不開電子器件。器件的微型化發(fā)展趨勢，決定了一個芯片上需要集成的晶體管越來越多，如此高的熱通量，使得管理電子器件中產(chǎn)生的熱量成為了一個嚴峻的考驗。

　　電子器件在工作中往往會發(fā)熱，而熱量無法及時耗散，就會嚴重影響設備性能，甚至發(fā)生爆炸。

　　畢竟，手機爆炸的事故，也不是一起兩起了。

　　電子器件無法避免地會產(chǎn)生大量熱量，如何將產(chǎn)生的熱量快速耗散從而保持其性能，是當今半導體和電子器件制造領域的關鍵問題之一。

　　微液流冷卻系統(tǒng)

　　微液流冷卻系統(tǒng)，就是這方面的佼佼者之一。

　　目前的微液流系統(tǒng)主要有三種：

　　1）通過保護蓋對芯片冷卻，熱穿越芯片和保護蓋，隨后被冷卻液流收集實現(xiàn)冷卻作用；

　　2）將芯片直接和熱界面材料（thermal interface material）相連，進而將熱傳導至微流體冷卻板。

　　以上兩種效率較低，第三種微液流系統(tǒng)效率更高，

　　3）將冷卻液直接和芯片接觸，該方法效率較高的原因在于無需熱界面材料、并且制備芯片的方法簡單，無需其他步驟。該方法的缺點在于制備微液流系統(tǒng)價格高昂，同時可能存在和芯片制備過程不適配的缺點。

　　圖丨EPFL

　　目前，將芯片的背面（芯片背面的半導體基底上直接刻蝕出導熱的通道）浸泡在冷卻液中是個比較有效率的方案，并展現(xiàn)出了杰出的冷卻性能。該系統(tǒng)中的缺點在于需要高能量的泵提供冷卻液在微通道中的流動過程。九游會j9網(wǎng)站首頁

　　因此，開發(fā)具有高效率冷卻能力的電子器件微液流系統(tǒng)，是工業(yè)界的迫切需求。

　　新突破

　　近日，洛桑聯(lián)邦理工學院Elison Matioli等人設計了一種微液流系統(tǒng)組裝的微芯片，展示出優(yōu)異的冷卻性能。比利時魯汶的微電子研究中心（IMEC）的Tiwei Wei對該領域中進展情況進行了評述。

　　圖丨Nature

　　目前常規(guī)的設計是將微流體冷卻系統(tǒng)和芯片分開設計和構造。而Elison Matioli等人一反常規(guī)，他們的核心思路在于：將微流體通道與電子器件集成在半導體芯片內(nèi)部，讓冷卻液在電子芯片內(nèi)部流動，在最靠近晶體管發(fā)熱的位置。

　　基于這種設計，他們在冷卻系統(tǒng)中通過設計一種單片集成流形微通道（mMMC）并獲得了突破，該方法中通過設計集成到芯片的發(fā)熱點正下方，因此能夠直接對熱進行高效、定位的耗散。因此冷卻效果遠遠高于以往的冷卻系統(tǒng)，達到了50倍冷卻性能的提升。

　　圖1. 集成到芯片基底上的高效冷卻系統(tǒng)示意圖

　　具體而言，研究人員在芯片基底的結構上進行設計了一種全新結構的冷卻系統(tǒng)：在Si基底上刻蝕孔道，獲得了增強的冷卻性能。

　　1）通過將微液流冷卻系統(tǒng)更加靠近晶體管的發(fā)熱點，有效的改善了冷卻性能。

　　2）同時，該系統(tǒng)避免了外加散熱器，能夠在芯片微型化的過程中進一步的消除產(chǎn)生的熱量。

　　圖2. 微液流冷卻系統(tǒng)示意圖

　　制造工藝

　　該系統(tǒng)的構建過程：

　　1. 在Si基底上構建GaN的狹窄狹縫。

　　2. 通過各向同性XeF2氣體刻蝕方法在保持GaN狹縫的過程中，對Si刻蝕進行擴孔。

　　3. 通過Cu對GaN狹縫封裝。

　　4. 隨后在GaN上構建芯片。

　　基于這種簡單而又集成的制造工藝，確?？梢栽谧罴盐恢锰崛崃?，并防止熱量散布到整個設備中。目前采用的冷卻液是去離子水，該水不導電，但是研究人員已經(jīng)在測試其他更有效的液體，以便可以從晶體管中吸收更多的熱量。

　　圖3. 微液流系統(tǒng)構建示意圖

　　冷卻性能

　　在實際構建的電能轉化模塊構建中，僅僅在0.57 W cm-2冷卻功率就實現(xiàn)了對高于1.7 kw/cm2的熱能有效的制冷。并且，該液體冷卻系統(tǒng)展現(xiàn)了更高的能量轉換密度，因為消除了自加熱作用。通過和現(xiàn)有技術進行比較，發(fā)現(xiàn)本方法具有更高的導熱能力。

　　圖4. 冷卻性能圖

　　展望未來

　　這種全新的設計理念，將原本分離的兩個工藝集成到一起，新型的冷卻技術有望在單個芯片中創(chuàng)建超緊湊型電源轉換器，將使電子設備能夠更加緊湊，并大大減少全球能源消耗。

　　參考文獻：

　　【1】Remco van Erp et al. Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling. Nature 2020

　　https://www.nature.com/articles/s41586-020-2666-1

　　【2】Tiwei Wei, All-in-one design integrates microfluidic cooling into electronic chips, Nature 2020, 585, 188-189.

　　DOI: 10.1038/d41586-020-02503-1

　　https://www.nature.com/articles/d41586-020-02503-1九游會j9官網(wǎng)真人游戲第一品牌

　　【3】Transistor-integrated cooling for a more powerful chip

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