散熱芯革命！采用氣體蝕刻將微流冷卻直接集成到硅芯片中！效率提升50倍！
2020-09-27 14:36:20 EETOP
現(xiàn)在，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究人員希望通過將液體冷卻通道直接集成到半導(dǎo)體芯片中，用來減少電力電子設(shè)備中的熱量及其后續(xù)資源消耗。這將會(huì)使得體積更小、更便宜、更高效。他們的研究已發(fā)表在《自然》雜志上，描述了EPFL團(tuán)隊(duì)如何開發(fā)其集成的微流體技術(shù)以及可以有效管理晶體管產(chǎn)生的大熱通量的電子設(shè)備。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2666-1
傳統(tǒng)上，電子和熱管理系統(tǒng)是分開設(shè)計(jì)和開發(fā)的。然而，根據(jù)EPFL電子工程教授Elison Matioli的說法，這造成了效率低下，因?yàn)闊崃勘仨毥?jīng)過很長的距離傳輸，并且通過多種材料才能將其散出去。作為更有效的替代方法，Matioli和他在EPFL的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種低成本的工藝，該工藝將微流體冷卻通道的三維（3D）網(wǎng)絡(luò)直接集成到硅芯片中。其背后的想法是，流體的散熱性能要比空氣好得多，并且通過將這些通道放置在距離芯片最熱區(qū)域僅幾微米的地方，這將可以有效地散發(fā)熱量，并且不再需要其他冷卻方法。
與以前報(bào)道的微流體冷卻技術(shù)不同，EPFL團(tuán)隊(duì)從一開始就設(shè)計(jì)了電子設(shè)備和冷卻系統(tǒng)。這意味著微通道位于每個(gè)晶體管器件的活動(dòng)區(qū)域的正下方（在該區(qū)域中產(chǎn)生的熱量最多），冷卻效率提高了50倍。相反，先前對(duì)微通道冷卻系統(tǒng)的嘗試是通過分別構(gòu)建兩個(gè)零件，然后將它們彼此粘合，從而增加了耐熱性。
在這項(xiàng)研究中，EPFL研究人員蝕刻了30μm長和115μm深的硅基板涂層的氮化鈾（GaN）層。使用氣體蝕刻技術(shù)，硅基板中的這些縫隙被加寬，形成泵送液體冷卻液的通道。
然后將這些狹縫用銅密封，并將芯片本身構(gòu)建在頂部。“我們?cè)谂c每個(gè)晶體管接觸的晶圓的微小區(qū)域上只有微通道。” Matioli說。他補(bǔ)充說，這使該技術(shù)特別有效，因?yàn)橹恍韬苌俚谋盟凸β示涂梢晕沾罅繜崃俊?/p>
為了證明其芯片的可行性，研究人員構(gòu)建了由四個(gè)肖特基二極管組成的AC-DC整流器電路。這種類型的電路通常需要一個(gè)大的散熱器，但是在集成冷卻系統(tǒng)的情況下，芯片位于一個(gè)小PCB上，該P(yáng)CB由三層組成，上面刻有用于冷卻劑輸送的通道。
該測(cè)試的結(jié)果表明，密度僅為1,700cm²的設(shè)備上的熱點(diǎn)可以僅用0.57W/cm²的泵浦功率進(jìn)行冷卻，與以前報(bào)道的微流體冷卻技術(shù)相比，性能提高了50倍。
原文鏈接：
https://www.allaboutcircuits.com/news/researchers-combine-transistor-and-cooling-system-single-chip/
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