無(wú)論是手機(jī)、電腦，還是電動(dòng)車(chē)、衛(wèi)星，人類(lèi)生活似乎已經(jīng)離不開(kāi)電子器件。器件的微型化發(fā)展趨勢(shì)，決定了一個(gè)芯片上需要集成的晶體管越來(lái)越多，如此高的熱通量，使得管理電子器件中產(chǎn)生的熱量成為了一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。電子器件在工作中往往會(huì)發(fā)熱，而熱量無(wú)法及時(shí)耗散，就會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備性能，甚至發(fā)生爆炸。電子器件無(wú)法避免地會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如何將產(chǎn)生的熱量快速耗散從而保持其性能，是當(dāng)今半導(dǎo)體和電子器件制造領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題之一。微液流冷卻系統(tǒng)，就是這方面的佼佼者之一。1）通過(guò)保護(hù)蓋對(duì)芯片冷卻，熱穿越芯片和保護(hù)蓋，隨后被冷卻液流收集實(shí)現(xiàn)冷卻作用；2）將芯片直接和熱界面材料（thermal interface material）相連，進(jìn)而將熱傳導(dǎo)至微流體冷卻板。以上兩種效率較低，第三種微液流系統(tǒng)效率更高，3）將冷卻液直接和芯片接觸，該方法效率較高的原因在于無(wú)需熱界面材料、并且制備芯片的方法簡(jiǎn)單，無(wú)需其他步驟。該方法的缺點(diǎn)在于制備微液流系統(tǒng)價(jià)格高昂，同時(shí)可能存在和芯片制備過(guò)程不適配的缺點(diǎn)。目前，將芯片的背面（芯片背面的半導(dǎo)體基底上直接刻蝕出導(dǎo)熱的通道）浸泡在冷卻液中是個(gè)比較有效率的方案，并展現(xiàn)出了杰出的冷卻性能。該系統(tǒng)中的缺點(diǎn)在于需要高能量的泵提供冷卻液在微通道中的流動(dòng)過(guò)程。因此，開(kāi)發(fā)具有高效率冷卻能力的電子器件微液流系統(tǒng)，是工業(yè)界的迫切需求。近日，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Elison Matioli等人設(shè)計(jì)了一種微液流系統(tǒng)組裝的微芯片，展示出優(yōu)異的冷卻性能。比利時(shí)魯汶的微電子研究中心（IMEC）的Tiwei Wei對(duì)該領(lǐng)域中進(jìn)展情況進(jìn)行了評(píng)述。目前常規(guī)的設(shè)計(jì)是將微流體冷卻系統(tǒng)和芯片分開(kāi)設(shè)計(jì)和構(gòu)造。而Elison Matioli等人一反常規(guī)，他們的核心思路在于：將微流體通道與電子器件集成在半導(dǎo)體芯片內(nèi)部，讓冷卻液在電子芯片內(nèi)部流動(dòng)，在最靠近晶體管發(fā)熱的位置。基于這種設(shè)計(jì)，他們?cè)诶鋮s系統(tǒng)中通過(guò)設(shè)計(jì)一種單片集成流形微通道（mMMC）并獲得了突破，該方法中通過(guò)設(shè)計(jì)集成到芯片的發(fā)熱點(diǎn)正下方，因此能夠直接對(duì)熱進(jìn)行高效、定位的耗散。因此冷卻效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以往的冷卻系統(tǒng)，達(dá)到了50倍冷卻性能的提升。圖1. 集成到芯片基底上的高效冷卻系統(tǒng)示意圖
具體而言，研究人員在芯片基底的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)了一種全新結(jié)構(gòu)的冷卻系統(tǒng)：在Si基底上刻蝕孔道，獲得了增強(qiáng)的冷卻性能。1）通過(guò)將微液流冷卻系統(tǒng)更加靠近晶體管的發(fā)熱點(diǎn)，有效的改善了冷卻性能。2）同時(shí)，該系統(tǒng)避免了外加散熱器，能夠在芯片微型化的過(guò)程中進(jìn)一步的消除產(chǎn)生的熱量。該系統(tǒng)的構(gòu)建過(guò)程：1. 在Si基底上構(gòu)建GaN的狹窄狹縫。2. 通過(guò)各向同性XeF2氣體刻蝕方法在保持GaN狹縫的過(guò)程中，對(duì)Si刻蝕進(jìn)行擴(kuò)孔。3. 通過(guò)Cu對(duì)GaN狹縫封裝。基于這種簡(jiǎn)單而又集成的制造工藝，確保可以在最佳位置提取熱量，并防止熱量散布到整個(gè)設(shè)備中。目前采用的冷卻液是去離子水，該水不導(dǎo)電，但是研究人員已經(jīng)在測(cè)試其他更有效的液體，以便可以從晶體管中吸收更多的熱量。圖3. 微液流系統(tǒng)構(gòu)建示意圖在實(shí)際構(gòu)建的電能轉(zhuǎn)化模塊構(gòu)建中，僅僅在0.57 W cm-2冷卻功率就實(shí)現(xiàn)了對(duì)高于1.7 kw/cm2的熱能有效的制冷。并且，該液體冷卻系統(tǒng)展現(xiàn)了更高的能量轉(zhuǎn)換密度，因?yàn)橄俗约訜嶙饔?/span>。通過(guò)和現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)本方法具有更高的導(dǎo)熱能力。這種全新的設(shè)計(jì)理念，將原本分離的兩個(gè)工藝集成到一起，新型的冷卻技術(shù)有望在單個(gè)芯片中創(chuàng)建超緊湊型電源轉(zhuǎn)換器，將使電子設(shè)備能夠更加緊湊，并大大減少全球能源消耗。【1】Remco van Erp et al. Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling. Nature 2020https://www.nature.com/articles/s41586-020-2666-1【2】Tiwei Wei, All-in-one design integrates microfluidic cooling into electronic chips, Nature 2020, 585, 188-189.DOI: 10.1038/d41586-020-02503-1https://www.nature.com/articles/d41586-020-02503-1【3】Transistor-integrated cooling for a more powerful chiphttps://actu.epfl.ch/news/transistor-integrated-cooling-for-a-more-powerfu-2/
