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Nature:芯片散熱技術(shù)重大創(chuàng)新,,冷卻性能增加 50 倍

2020-09-10
來源: 學(xué)術(shù)頭條

近年來,,研究人員開始探索將液體冷卻模塊直接嵌入芯片內(nèi)部,,以實現(xiàn)更加高效的制冷效果的新技術(shù),但這一技術(shù)仍未解決電子設(shè)備和冷卻系統(tǒng)分開處理的困境,,從而無法發(fā)揮嵌入式冷卻系統(tǒng)的全部節(jié)能潛力,。

9 月 9 日,來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)電氣工程研究所功率和寬帶隙電子研究實驗室(POWERlab)的 Elison Matioli 教授及其博士生 Remco Van Erp 等研究人員,,在 Nature 上發(fā)表了一項最新研究成果,,在芯片冷卻技術(shù)方面實現(xiàn)了新的突破。

研究人員使用微流體電子協(xié)同設(shè)計方案,,在同一半導(dǎo)體的襯底內(nèi)將微流體和電子元器件進(jìn)行協(xié)同設(shè)計,,生產(chǎn)出一個單片集成的歧管微通道冷卻結(jié)構(gòu),可以有效地管理晶體管產(chǎn)生的大熱通量,。

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研究結(jié)果表明,,該冷卻結(jié)構(gòu)僅使用 0.57 瓦/平方厘米的泵送功率,就可以輸送超過 1.7 千瓦/平方厘米的熱通量,,其冷卻效果超出當(dāng)前所使用的結(jié)構(gòu)的效果,。

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2019 年 5G 進(jìn)入正式商用以來,高速率低時延的移動通信網(wǎng)絡(luò)為超高密度的信息接入提供了便捷,,與此同時也產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù),,作為云計算基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)中心,在規(guī)模和數(shù)量方面都呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長態(tài)勢,,隨之而來的高能耗問題已然成為業(yè)界面臨的一大難題,。

據(jù)統(tǒng)計,在一個傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的總能耗中,,制冷系統(tǒng)用于冷卻散熱的能耗占比達(dá) 30% 至 40% ,。數(shù)據(jù)中心目前采用的冷卻技術(shù)主要包括冷凍水、泵送制冷劑,、遏制通道,、行和機架級空氣、液體冷卻等方式,,需要消耗大量的能源和水資源,。

Elison Matioli 教授團(tuán)隊致力于從觀念上真正實現(xiàn)改變電子設(shè)備的設(shè)計,,在設(shè)計之初就開始通過構(gòu)思電子設(shè)備與冷卻結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計,目的是將設(shè)備中散熱最大的區(qū)域附近的熱量散發(fā)出去,。

Van Erp 表示:“ 我們希望結(jié)合電氣和機械工程方面的技術(shù),,制造出一種新型設(shè)備?!?/p>

微流體電子協(xié)同設(shè)計

隨著電子產(chǎn)品的集成度越來越高,,不斷縮小的半導(dǎo)體器件在擁有更小、 更輕,、更便攜等優(yōu)勢的同時,,也產(chǎn)生了更高的熱通量,為冷卻技術(shù)帶來新的挑戰(zhàn),。

與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體相比,,氮化鎵(GaN)之類的寬帶隙半導(dǎo)體可實現(xiàn)更小的壓鑄模,以及功率器件的單片集成,,從而可以支持將完整的功率轉(zhuǎn)換器小型化為單個芯片,,因此被研究人員當(dāng)作解決這一問題的候選者。

先前大量的研究工作都聚焦在如何改善散熱區(qū)和冷卻劑之間的熱路徑上,,但排熱能力從根本上受限于半導(dǎo)體的模具和封裝之間存在的熱阻,。此外,由于電子設(shè)備不能密集封裝,,不僅需要依賴更大的散熱器,,而且會降低設(shè)備功率密度并阻礙半導(dǎo)體集成。

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Elison Matioli 帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊希望解決如何冷卻電子設(shè)備(尤其是晶體管)的問題,。Elison Matioli 說:“ 管理這些設(shè)備產(chǎn)生的熱量將是未來電子產(chǎn)品面臨的最大挑戰(zhàn)之一,,最大限度地減少能源消耗對環(huán)境的影響變得越來越重要,因此我們需要在冷卻技術(shù)方面實現(xiàn)創(chuàng)新,,以可持續(xù),、低成本、高效益的方式,,有效地處理芯片產(chǎn)生的大量熱通量,。”

于是,,研究人員開始探索使用冷卻劑與設(shè)備直接接觸的方式,,來實現(xiàn)更高的冷卻性能。歧管式微通道(MMC)熱沉憑借熱阻小,、結(jié)構(gòu)緊湊,、冷卻液流量小、流速低、沿著流動方向溫度分布均勻等優(yōu)點,,成為備選方案,。

研究人員提出了在具有外延層的單晶硅襯底上設(shè)計的單片集成的多歧管微通道(mMMC)散熱器,無需繁瑣的鍵合步驟即可生產(chǎn),。此處,,器件的設(shè)計和散熱器的制造是在同一過程中結(jié)合在一起,冷卻通道直接嵌入在芯片的有效區(qū)域下方,。因此,冷卻劑可以直接撞擊熱源,,提供局部和有效的散熱,。

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協(xié)同設(shè)計的微流體冷卻電子設(shè)備結(jié)構(gòu)圖及各角度視圖

研究結(jié)果表明,這種將冷卻作為設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的一個組成部分的設(shè)計,,可以將冷卻性能提高幾個數(shù)量級,。

“我們將微流體通道放置在非常靠近晶體管散熱點的位置,,并采用簡單的集成制造工藝,,實現(xiàn)在正確的位置提取熱量,并防止熱量散布到整個器件中 ,?!?Matioli 說。

高冷卻性能

為準(zhǔn)確評估MMC結(jié)構(gòu)的冷卻設(shè)備的冷卻性能,,研究人員使用去離子水作為冷卻劑,,對冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱液分析,通過測量熱阻,、壓降和冷卻性能系數(shù)(COP)來評估冷卻性能,。

分析結(jié)果顯示,含有10個歧管的微通道冷卻結(jié)構(gòu)能夠允許高達(dá) 1723 W/cm2 的熱通量,,最大溫升可達(dá) 60 K,,相當(dāng)于 25μm 寬的平行微通道(SPMC)的兩倍。

Van Erp 說:“我們在實驗中選擇了去離子水作為冷卻液,,但我們已經(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?!?/p>

為了測試半導(dǎo)體器件中嵌入式冷卻結(jié)構(gòu)的潛力,,研究人員將一個全橋整流器集成到單個硅基氮化鎵(GaN-on-Si)功率器件上。研究發(fā)現(xiàn),,單相水冷式熱通量超過 1 KW/cm2時,,其冷卻性能系數(shù)(COP)達(dá)到了前所未有的水平(超過 10000),與平行微通道相比增加了 50 倍。

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圖 嵌入式冷卻結(jié)構(gòu)的集成全橋整流器結(jié)構(gòu)

為充分利用高性能微通道冷卻結(jié)構(gòu)的緊密度,,研究人員開發(fā)了帶有嵌入式冷卻液輸送通道的三層 PCB 電路板,,用于引導(dǎo)冷卻劑進(jìn)入電子元器件。實際上,,數(shù)據(jù)中心目前超過 30% 用于冷卻的平均額外能源消耗,,通過采用這種設(shè)計方法,可能會降到 0.01% 以下,。

同時,,該研究進(jìn)一步說明,為了最大限度地實現(xiàn)節(jié)能,,冷卻應(yīng)該是整個電子設(shè)備設(shè)計鏈中不可或缺的一部分,,而不僅僅是一個事后的想法。

Matioli 說:“ 這種冷卻技術(shù)將使我們能夠設(shè)計出更加緊密的電子設(shè)備,,并可以大大減少全球因系統(tǒng)冷卻而消耗的能源,。這項設(shè)計可以直接去除當(dāng)前數(shù)據(jù)中心對于大型外部散熱器的需求,研究還表明可以在單個芯片中設(shè)計超緊湊型的電源轉(zhuǎn)換器,。隨著當(dāng)前社會對于電子產(chǎn)品依賴程度的不斷加深,,將更加彰顯出這一設(shè)計的社會價值?!?/p>

目前,,研究人員正在研究如何管理激光和通訊系統(tǒng)等其他設(shè)備中的熱量。


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