芯片散熱技術(shù)重大突破：科學(xué)家將冷卻系統(tǒng)性能提升五十倍

你可能有過這樣的經(jīng)歷，當(dāng)你的手機(jī)在運(yùn)行大型游戲時(shí)，或者電腦在運(yùn)行視頻剪輯軟件時(shí)，它們可能會熱得發(fā)燙，而且游戲會卡頓，視頻剪輯軟件也會處于未響應(yīng)狀態(tài)。這一切的原因，或多或少都與電子設(shè)備中電子電路的散熱性能有關(guān)。

如今，熱管理已經(jīng)是未來電子產(chǎn)品面臨的主要挑戰(zhàn)之一。隨著數(shù)據(jù)生成和通信速度的不斷提高，以及工業(yè)器件尺寸和成本的不斷降低，電子產(chǎn)品的功率密度也一直在增加，電子電路的冷卻已變得極具挑戰(zhàn)性。

目前，由于液態(tài)冷卻的散熱性能大大優(yōu)于金屬散熱器，液體散熱技術(shù)被逐漸應(yīng)用在大功率器件或者高性能計(jì)算芯片上。但這種液體必須是絕緣體，并且不能與電子元件發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。而且，盡管液體冷卻系統(tǒng)可用于冷卻電子器件，但是傳統(tǒng)的液態(tài)冷卻器可以產(chǎn)生溫度梯度以及能耗大等問題。將液體冷卻系統(tǒng)嵌入微芯片是一種很有吸引力的方法，但當(dāng)前芯片和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)限制了冷卻系統(tǒng)的效率。

近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）助理教授伊麗尚·馬蒂尼奧及其同事研發(fā)出了一種新型集成液體冷卻系統(tǒng)，通過將液體冷卻系統(tǒng)直接嵌入電子芯片內(nèi)部，來控制電子產(chǎn)品產(chǎn)生的熱量。與傳統(tǒng)的電子冷卻方法相比，這種方法的冷卻性能最高可以達(dá)到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的 50 倍，是一種前景可觀、可持續(xù)，并且具有成本效益的方法。

據(jù)論文描述，研究人員僅使用 0.57 瓦 / 平方厘米的泵浦功率就可以散去超過 1.7 千瓦 / 平方厘米的熱通量。單相水冷熱通量超過每平方厘米 1 千瓦時(shí)，性能系數(shù)達(dá)到了前所未有的水平，相較于平行微通道整整增加了 50 倍，芯片的溫度也被限制在 60 攝氏度以內(nèi)。研究人員表示，通過消除對大型外部散熱器的需求，這種方法可以使更多緊湊電子設(shè)備（如電源轉(zhuǎn)換器）集成到一個(gè)芯片上。

在此次研究中，研究人員在一個(gè)極為精細(xì)的尺度上控制硅晶圓的結(jié)構(gòu)，用來在氮化鎵（GaN）電路表面上放置冷卻劑通道。研究人員將設(shè)備中氮化鎵最熱的部分靠近其中一個(gè)通道，以便更有效地散熱。為了把這項(xiàng)研究成果轉(zhuǎn)化為一種實(shí)際可用的冷卻裝置，研究人員開發(fā)了與之相匹配的具有內(nèi)部嵌入式冷卻液輸送分布流道的三層印制電路板（PCB）電路板結(jié)構(gòu)，這些冷卻液輸送通道通過激光切割，以及多層板的粘合組裝來實(shí)現(xiàn)，冷卻劑最后通過這些輸送通道進(jìn)入電子器件背面的微流道系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)高效散熱。該系統(tǒng)運(yùn)行后，每輸出一瓦電，溫度只會上升大約 1/3 攝氏度，由于其耐熱性已被提高到 60 攝氏度，這意味著該設(shè)備可以吸收 176 瓦的能量，所需水流量也低于每秒 1 毫升。

微芯片內(nèi)的集成液體冷卻系統(tǒng)（英文圖示）

研究人員表示，當(dāng)前數(shù)據(jù)中心大約 30% 的能源用于冷卻，每年使用約 1000 億升水，如果采用這一設(shè)計(jì)，冷卻所需的能量有望被降到當(dāng)前值的 1% 以下。但實(shí)際上，我們離這個(gè)目標(biāo)還有很長的路要走。研究人員選擇了一種極其簡單的方法來測試他們的系統(tǒng)，但在更復(fù)雜的情況下，布置路線可能要困難得多，尤其是在通用處理器中，芯片執(zhí)行工作的部分可能會根據(jù)工作負(fù)載而改變;而且，研究人員還需要繼續(xù)對該系統(tǒng)進(jìn)行長期穩(wěn)定性測試，以確保其不會造成器件的結(jié)構(gòu)缺陷，以及高溫水與銅、硅和氮化鎵的相互作用不會導(dǎo)致不可預(yù)見的問題。

作為該論文的3位審稿人之一，歐洲微電子研究中心 IMEC 三維系統(tǒng)集成博士，斯坦福大學(xué)機(jī)械工程系納米傳熱組博士后魏體偉，受《自然》邀請撰寫 News and Views 對該項(xiàng)研究成果進(jìn)行解讀和評論。魏體偉認(rèn)為，與以往任何技術(shù)進(jìn)步一樣，這項(xiàng)研究還有很多工作要做。例如，氮化鎵薄層的結(jié)構(gòu)完整性還需進(jìn)一步研究，以了解其在長期工作服役條件下對器件可靠性的影響;研究人員使用最高工作溫度為 120攝氏度的粘合劑將設(shè)備中的微通道連接到支撐電路板上的流體傳輸通道，這意味著組裝后的系統(tǒng)將無法承受更高的溫度，還需要進(jìn)一步開發(fā)與電子設(shè)備制造過程溫度環(huán)境兼容的流體連接。

此外，魏體偉還表示，研究人員在此次研究中僅用了液態(tài)水進(jìn)行單相流動冷卻，而大量文獻(xiàn)表明液體的兩項(xiàng)流動散熱效果會更好。在兩相流動冷卻系統(tǒng)中，大量的熱是通過流體的蒸發(fā)而散失的，因此，對冷卻裝置的散熱性能和器件的電氣性能評估是很有必要的。而且，由于水可能會凍結(jié)或直接與芯片接觸，對于現(xiàn)實(shí)應(yīng)用而言，水可能不是理想的冷卻劑，未來的工作應(yīng)研究使用不同的液體冷卻劑。

盡管以上問題還有待解決，但研究人員已經(jīng)朝著開發(fā)低成本、超緊湊和高能效的電力電子冷卻系統(tǒng)邁出了一大步，他們的方法優(yōu)于當(dāng)前最先進(jìn)的冷卻技術(shù)，而且可能會使產(chǎn)生高熱通量的設(shè)備成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?。（摘自美《深科技》）（編?諾伊克）