芯片散热技术重大突破:科学家将冷却系统性能提升50倍

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芯片散热技术重大突破:科学家将冷却系统性能提升50倍
麻省理工科技评论 2020-09-11

2020-09-11

他们的方法被认为优于当前最先进的冷却技术。
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他们的方法被认为优于当前最先进的冷却技术。

你可能有过这样的经历,当你的手机在运行大型游戏时,或者电脑在运行视频剪辑软件时,它们可能会热得发烫,而且游戏会卡顿,视频剪辑软件也会处于未响应状态。这一切的原因,或多或少都与电子设备中电子电路的散热性能有关。

如今,热管理已经是未来电子产品面临的主要挑战之一。随着数据生成和通信速度的不断提高,以及工业器件尺寸和成本的不断降低,电子产品的功率密度也一直在增加,电子电路的冷却已变得极具挑战性。

目前,由于液态冷却的散热性能大大优于金属散热器,液体散热技术被逐渐应用在大功率器件或者高性能计算芯片上。但这种液体必须是绝缘体,并且不能与电子元件发生任何化学反应。而且,尽管液体冷却系统可用于冷却电子器件,但是传统的液态冷却器可以产生温度梯度以及能耗大等问题。

将液体冷却系统嵌入微芯片是一种很有吸引力的方法,但当前芯片和冷却系统的设计限制了冷却系统的效率。

近日,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)助理教授伊丽尚·马蒂尼奥(Elison Matioli)及其同事研发出了一种新型集成液体冷却系统,通过将液体冷却系统直接嵌入电子芯片内部,来控制电子产品产生的热量。与传统的电子冷却方法相比,这种方法的冷却性能最高可以达到传统设计的 50 倍,是一种前景可观、可持续,并且具有成本效益的方法。相关论文已于 9 月 10 日发表在《自然》(Nature)杂志上。

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(来源:Nature)

据论文描述,研究人员仅使用 0.57 瓦 / 平方厘米的泵浦功率就可以散去超过 1.7 千瓦 / 平方厘米的热通量。单相水冷热通量超过每平方厘米 1 千瓦时,性能系数达到了前所未有的水平(超过 10000),相较于平行微通道整整增加了 50 倍,芯片的温度也被限制在 60 摄氏度以内。

研究人员表示,通过消除对大型外部散热器的需求,这种方法可以使更多紧凑电子设备(如电源转换器)集成到一个芯片上。

在此次研究中,研究人员在一个极为精细的尺度上控制硅晶圆的结构,用来在氮化镓(GaN)电路表面上放置冷却剂通道。研究人员将设备中氮化镓最热的部分靠近其中一个通道,以便更有效地散热。

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为了把这项研究成果转化为一种实际可用的冷却装置,研究人员开发了与之相匹配的具有内部嵌入式冷却液输送分布流道的三层印制电路板(PCB)电路板结构,这些冷却液输送通道通过激光切割,以及多层板的粘合组装来实现,冷却剂最后通过这些输送通道进入电子器件背面的微流道系统,从而实现高效散热。

该系统运行后,每输出一瓦电,温度只会上升大约 1/3 摄氏度,由于其耐热性已被提高到 60 摄氏度,这意味着该设备可以吸收 176 瓦的能量,所需水流量也低于每秒 1 毫升。

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图 | 微芯片内的集成液体冷却系统(来源:Nature)

研究人员表示,当前数据中心大约 30% 的能源用于冷却,每年使用约 1000 亿升水,如果采用这一设计,冷却所需的能量有望被降到当前值的 1% 以下。

但实际上,我们离这个目标还有很长的路要走。研究人员选择了一种极其简单的方法来测试他们的系统,但在更复杂的情况下,布置路线可能要困难得多,尤其是在通用处理器中,芯片执行工作的部分可能会根据工作负载而改变;而且,研究人员还需要继续对该系统进行长期稳定性测试,以确保其不会造成器件的结构缺陷,以及高温水与铜、硅和氮化镓的相互作用不会导致不可预见的问题。

作为该论文的三位审稿人之一,欧洲微电子研究中心 IMEC 三维系统集成博士,斯坦福大学机械工程系纳米传热组博士后魏体伟,受 Nature 邀请撰写 News and Views 对该项研究成果进行解读和评论。魏体伟认为,与以往任何技术进步一样,这项研究还有很多工作要做。例如,氮化镓薄层的结构完整性还需进一步研究,以了解其在长期工作服役条件下对器件可靠性的影响;研究人员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传输通道,这意味着组装后的系统将无法承受更高的温度,还需要进一步开发与电子设备制造过程温度环境兼容的流体连接。

此外,魏体伟还表示,研究人员在此次研究中仅用了液态水进行单相流动冷却,而大量文献表明液体的两项流动散热效果会更好。在两相流动冷却系统中,大量的热是通过流体的蒸发而散失的,因此,对冷却装置的散热性能和器件的电气性能评估是很有必要的。而且,由于水可能会冻结或直接与芯片接触,对于现实应用而言,水可能不是理想的冷却剂,未来的工作应研究使用不同的液体冷却剂。

尽管以上问题还有待解决,但研究人员已经朝着开发低成本、超紧凑和高能效的电力电子冷却系统迈出了一大步,他们的方法优于当前最先进的冷却技术,而且可能会使产生高热通量的设备成为我们日常生活的一部分。

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