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小型电子器件会产生许多热量,只有将热量散发出去才能维持设备的性能。研究人员发现,将微流体系统集成到微芯片内部,展现出了卓越的冷却性能。本文来自微信公众号:Nature自然科研(ID:Nature-Research),原文作者:Tiwei Wei

提升电子系统性能的一个高效又节能的策略是将微流体冷却通道集成到芯片中,以防止芯片过热。然而,此前设计并构建的最先进的微流体冷却系统却是独立于电子芯片之外的,妨碍了将通道集成到电路中为热区提供直接的冷却。由于这种集成会显著增加芯片制造的复杂度,成本也会相应提高。

van Erp等人[1]在《自然》上发表论文,报道了一种集成微流体冷却系统的电子设备,让微流体冷却系统与电子元器件紧密结合,并且采用一种单次的低成本工艺流程进行构建。

电力电子技术使用固态电子器件将电能转换成不同的形式,可见于各种各样的日常应用[2],从计算机到电池充电器,从空调到混合动力汽车,甚至卫星。对更高效率、更小功率的电子器件的需求越来越大,意味着这些器件每单位体积转换的功率量已经大幅增加。

这反过来又增加了器件的热流密度,即单位面积产生的热量。以这种方式产生的热量已经成为了一个大问题:美国的数据中心用于冷却计算机的能源和水与费城全城的住宅用量相同[1]

微流体冷却系统在降低电子器件温度方面蕴含着巨大潜力,因为热量可以高效地传递到这些系统。总体上看,目前已经开发出三种微流体冷却方案:

第一种用于冷却被保护盖盖住的芯片。热量从芯片经盖子传递到带有微流体通道的冷板,液体冷却剂会流过通道[3]。这里用两层热界面材料(TIM)帮助将热量从盖子传递到冷板:一层在盖子与板之间,另一层在盖子与裸片(用于制作芯片的半导体硅片)之间。

在第二种设计方案中,芯片没有盖子,因此热量从芯片背面通过一层TIM层直接传递到微流体冷却板[3]这两种方法的主要缺点是需要TIM层——虽然TIM的设计能有效传热[4],但在TIM层与裸片、盖子和冷板之间的界面处仍会产生热流阻力。

有效解决这个问题的方法是使冷却剂与芯片直接接触——这是第三种常用设计。例如,裸片直接喷射冷却是一种很有价值的技术,液体冷却剂可以从微通道中的喷嘴直接喷射到芯片背面[5–7]。由于没有TIM层,这种方法的冷却效率很高,并且不需要改变芯片制作过程。然而,微流体器件的制作一般比较昂贵。虽然已经开发出了低成本的基于聚合物的技术[8],但其不适用于电子设备目前的生产和组装工艺。

另一种是冷却剂直接与芯片背面直接接触的方法是嵌入式液体冷却[9,10],让冷的液体通过直接蚀刻在半导体器件中的直的平行微管道(SPMC)泵送。这能有效将芯片背面变成了散热器,并展现出卓越的冷却性能。但是,与其他方法相比,裸片需要额外的加工过程。

SPMC的主要缺点是,当液体流过时,管道中的压力会大大增加,这意味着需要一个大功率的泵。这增加了能耗和成本,并对半导体器件产生具有潜在破坏性的机械应力。另一个大的缺点是芯片上会产生高温梯度,这会引起热机械应力并导致薄裸片的局部翘曲。

与SPMC相比,名为嵌入式分流微通道[11,12](EMMC)的三维冷却系统在降低泵送能量需求和温度梯度方面具有巨大潜力。在这种系统中,一个三维层级分流管(具有数个分配冷却剂端口的通道部件)为嵌入式微通道提供多个入口和出口,从而将冷却剂分流到多个平行区域。

然而,将EMMC集成到电力电子器件的芯片中增加了器件制造的复杂度和成本。因此,先前报道的EMMC是作为单独的模块被设计和制作出来的,后续再将其结合到热源或商用芯片上以评估其冷却性能。

Van Erp等取得了突破,他们开发了一种一体化集成式分流微管道(mMMC)——在该系统的单个裸片中,EMMC与芯片集成并共同制造。因此,掩埋的通道嵌入在芯片有效区域的正下方,从而使冷却剂能够直接从热源底下通过(图1)

图1 | 微芯片一体化冷却系统。Van Erp等人[1] 为电子设备芯片开发了一种通用设计方案,其中,作为冷却系统的微通道系统是与芯片共同制造的。冷水流过分流管,将水输送到硅基微通道中。水直接从氮化镓层下面流过,氮化镓是一种半导体材料,氮化镓层包含了电子器件组件(未显示)。因此,冷水有效地散发器件产生的热量,保证其具有良好的性能。顶部的金属触点将通道密封。(改编自参考文献[1]图1a。)

mMMC的制作过程包括三个步骤:

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  • 首先,将窄缝刻蚀到覆盖了一层半导体氮化镓(GaN)的硅衬底中;窄缝的深度即是要制作的通道的深度。

  • 然后使用一种被称为各向同性气体刻蚀的工艺,将硅中的窄缝加宽到通道的最终宽度;这种蚀刻工艺还使短的通道连接起来产生更长的通道系统。

  • 最后,通道顶部的GaN层的开口被铜密封。随后就可以在GaN层中制造电子器件。与先前报道的制作分流微通道的方法不同,van Erp及其同事开发的流程不需要分流通道和器件之间键合或连接。

作者还应用他们的设计和构建方法制作了一个电力电子模块,将交流电(a.c.)转换为直流电(d.c.)。使用该设备进行实验表明,仅使用0.57 W cm–2的泵功率就可以冷却超过1.7千瓦/平方厘米的热流密度。此外,由于消除了自体发热引起的性能减退,液体冷却设备展现出明显高于同类未冷却设备的转换效率。

Van Erp和同事的结果令人印象深刻,但是与任何的技术进步一样,要做的还很多。例如,需要进一步研究薄的GaN层的结构完整性随时间的变化,以了解它能够稳定多长时间。此外,作者使用最高工作温度为120°C的粘合剂将设备中的微通道连接到支撑电路板上的流体运输通道。

这意味着组装后的系统将无法承受更高的温度,例如回流焊接(一种电子设备制造常用的流程[13]一般用到的温度(250°C)。因此,与制造中使用温度相匹配的流体连接方案仍有待开发。

另一个未来的研究方向,是在交流直流转换器的最新设计中采用mMMC概念。van Erp及其同事发表的设计是一个简单的测试案例。

此外,在他们的实验中,作者仅使用液态水进行了单相冷却(也就是说,水并没有因为过热变成气体)。在两相流冷却系统中表征器件的冷却和电力性能将会很有用。两相流冷却系统中,液体蒸发带走热量。最后,在实际应用当中,水可能不是理想的冷却剂,因为水有结冰或者直接与芯片接触的风险。未来的工作需要研究使用不同的液体冷却剂。

尽管仍有一些需要解决的挑战,van Erp及其同事的工作是向低成本、超紧凑、高能效电力电子冷却系统迈出的一大步。他们的方法超过了目前最先进的冷却技术,并且有望使产生高热流密度的器件成为我们日常生活的一部分。

参考文献:

1. van Erp, R., Soleimanzadeh, R., Nela, L., Kampitsis, G. & Matioli, E. Nature 585, 211–216 (2020).

2. Bose, B. K. IEEE Ind. Electron. Mag. 3, 7–11 (2009).

3. Moore, A. L. & Shi, L. Mater. Today 17, 163–174 (2014).

4. Hansson, J., Nilsson, T. M. J., Ye, L. & Liu, J. Int. Mater. Rev. 63, 22–45 (2018).

5. Brunschwiler, T. et al. Proc. ITherm 196–203 (2006).

6. Wang, E. N. et al. J. Microelectromech. Syst. 13, 833–842 (2004).

7. Acikalin, T. & Schroeder, C. Proc. ITherm 673–679 (2014).

8. Wei, T. et al. IEEE Int. Electron Devices Meet. 32.5.1–32.5.4 (2017).

9. WTuckerman, D. B. & Pease, R. F. W. IEEE Electron Device Lett. 2, 126–129 (1981).

10. Phillips, R. J. Lincoln Lab. J. 1, 31–48 (1988).

11. Harpole, G. M. & Eninger, J. E. Proc. 7th IEEE Semi-Therm Symp. 59–63 (1991).

12. Jung, K. W. et al. Proc. ITherm 98–104 (2017).

13. Pan, J., Toleno, B. J., Chou, T. & Dee, W. J. Solder. Surf. Mount Technol. 18, 48–56 (2006).

原文以 All-in-one design integrates microfluidic cooling into electronic chips为标题发表在 2020年9月9日的《自然》新闻与观点版块

本文来自微信公众号:Nature自然科研(ID:Nature-Research),原文作者:Tiwei Wei