將水通道集成到芯片中！臺積電提出革命性片上芯片水冷技術
2021-07-13 13:00:13 EETOP
由于更密集的制造技術和增加的垂直 3D 芯片堆疊，晶體管越來越多地壓縮在一起，溫度成為需要解決的越來越關鍵的問題。臺積電的研究人員認為解決方案是讓水在夾層電路之間流動。這是一個非常簡單的理論解決方案，但對于電子產品而言，這是一項極其困難的工程壯舉。
當前的冷卻解決方案通常通過與給定芯片的散熱器直接接觸、直接芯片接觸技術或完全浸沒在非導電流體中來工作。其中，前兩種解決方案只能有效地冷卻它們直接接觸的層，這給垂直芯片堆疊帶來了巨大的問題。較低的層在散熱方面會遇到更多困難，會造成損壞，這兩種情況都會對性能不利。
不僅如此，芯片的頂層也會有額外的壓力，因為它基本上要把整個封裝的熱量帶到散熱層。而液體浸沒雖然高效，而且可能對堆疊的芯片更好，但在已經適合空氣或傳統(tǒng)水冷的專業(yè)場景中，卻很昂貴，而且難以部署。
臺積電在受控實驗室條件下對虛擬半導體進行了測試 - 一種熱測試載體 (TTV)，它本質上是一種由銅制成的加熱元件。該公司在可控條件下測試了三種硅水通道的集成：一種是基于柱狀結構的通道，水可以在有源半導體柱周圍流動以冷卻它們（想想島嶼周圍的水）；以溝渠設計為特色的設計(想象一條被河岸控制的河流);在硅芯片的其余部分上安裝一個簡單的平坦的水通道。水通過一個外部冷卻機制，將水通過硅芯片的過程冷卻到25ºC。
臺積電進一步測試了三種類型的水冷設計：一種只有直接水冷 (DWC)，作為制造過程的一部分，水有自己的循環(huán)通道直接蝕刻到芯片的硅片中；另一種設計將水通道蝕刻到芯片頂部自己的硅層中，使用 OX（氧化硅融合）的熱界面材料 (TIM) 層將熱量從芯片傳遞到水冷層；最后是一種將 OX 層換成更簡單、更便宜的液態(tài)金屬解決方案的設計。
臺積電報告說，目前最好的解決方案是直接水冷方法，它可以消散高達2.6千瓦的熱量，提供63 ºC的溫度差。第二好的設計自然是基于OX TIM的設計，它仍然可以散去2.3千瓦的熱量，提供83 ºC的溫度差。液態(tài)金屬解決方案排在最后，仍能散發(fā)出1.8千瓦的熱量（溫度差為75 ºC）。在所有的水流設計中，柱式設計是迄今為止最好的。
當然，在這種奇特的冷卻解決方案被納入主流之前，還需要數(shù)年時間。但這絕對是實現(xiàn)晶體管密度持續(xù)增加、持續(xù)改善最重要的單位面積性能指標以及未來3D半導體的發(fā)展方向之一。
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