单片集成的歧管微通道冷却结构高效改善芯片的散热性能

近年来，研究人员开始探索将液体冷却模块直接嵌入芯片内部，以实现更加高效的制冷效果的新技术，但这一技术仍未解决电子设备和冷却系统分开处理的困境，从而无法发挥嵌入式冷却系统的全部节能潜力。

9 月 9 日，来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）电气工程研究所功率和宽带隙电子研究实验室（POWERlab）的 Elison Matioli 教授及其博士生 Remco Van Erp 等研究人员，在 Nature 上发表了一项最新研究成果，在芯片冷却技术方面实现了新的突破。

研究人员使用微流体电子协同设计方案，在同一半导体的衬底内将微流体和电子元器件进行协同设计，生产出一个单片集成的歧管微通道冷却结构，可以有效地管理晶体管产生的大热通量。

研究结果表明，该冷却结构仅使用 0.57 瓦/平方厘米的泵送功率，就可以输送超过 1.7 千瓦/平方厘米的热通量，其冷却效果超出当前所使用的结构的效果。

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据统计，在一个传统数据中心的总能耗中，制冷系统用于冷却散热的能耗占比达 30% 至 40% 。数据中心目前采用的冷却技术主要包括冷冻水、泵送制冷剂、遏制通道、行和机架级空气、液体冷却等方式，需要消耗大量的能源和水资源。

Elison Matioli 教授团队致力于从观念上真正实现改变电子设备的设计，在设计之初就开始通过构思电子设备与冷却结构的整体设计，目的是将设备中散热最大的区域附近的热量散发出去。

Van Erp 表示：“ 我们希望结合电气和机械工程方面的技术，制造出一种新型设备。”

微流体电子协同设计

随着电子产品的集成度越来越高，不断缩小的半导体器件在拥有更小、 更轻、更便携等优势的同时，也产生了更高的热通量，为冷却技术带来新的挑战。

与传统的半导体相比，氮化镓（GaN）之类的宽带隙半导体可实现更小的压铸模，以及功率器件的单片集成，从而可以支持将完整的功率转换器小型化为单个芯片，因此被研究人员当作解决这一问题的候选者。

先前大量的研究工作都聚焦在如何改善散热区和冷却剂之间的热路径上，但排热能力从根本上受限于半导体的模具和封装之间存在的热阻。此外，由于电子设备不能密集封装，不仅需要依赖更大的散热器，而且会降低设备功率密度并阻碍半导体集成。

Elison Matioli 带领的研究团队希望解决如何冷却电子设备（尤其是晶体管）的问题。Elison Matioli 说：“ 管理这些设备产生的热量将是未来电子产品面临的最大挑战之一，最大限度地减少能源消耗对环境的影响变得越来越重要，因此我们需要在冷却技术方面实现创新，以可持续、低成本、高效益的方式，有效地处理芯片产生的大量热通量。”

于是，研究人员开始探索使用冷却剂与设备直接接触的方式，来实现更高的冷却性能。歧管式微通道（MMC）热沉凭借热阻小、结构紧凑、冷却液流量小、流速低、沿着流动方向温度分布均匀等优点，成为备选方案。

研究人员提出了在具有外延层的单晶硅衬底上设计的单片集成的多歧管微通道（mMMC）散热器，无需繁琐的键合步骤即可生产。此处，器件的设计和散热器的制造是在同一过程中结合在一起，冷却通道直接嵌入在芯片的有效区域下方。因此，冷却剂可以直接撞击热源，提供局部和有效的散热。

协同设计的微流体冷却电子设备结构图及各角度视图

研究结果表明，这种将冷却作为设备整体结构的一个组成部分的设计，可以将冷却性能提高几个数量级。

“我们将微流体通道放置在非常靠近晶体管散热点的位置，并采用简单的集成制造工艺，实现在正确的位置提取热量，并防止热量散布到整个器件中 。” Matioli 说。

高冷却性能

为准确评估MMC结构的冷却设备的冷却性能，研究人员使用去离子水作为冷却剂，对冷却结构进行了热液分析，通过测量热阻、压降和冷却性能系数（COP）来评估冷却性能。

分析结果显示，含有10个歧管的微通道冷却结构能够允许高达 1723 W/cm2 的热通量，最大温升可达 60 K，相当于 25μm 宽的平行微通道（SPMC）的两倍。

Van Erp 说：“我们在实验中选择了去离子水作为冷却液，但我们已经在测试其他更有效的液体，以便可以从晶体管中吸收更多的热量。”

为了测试半导体器件中嵌入式冷却结构的潜力，研究人员将一个全桥整流器集成到单个硅基氮化镓（GaN-on-Si）功率器件上。研究发现，单相水冷式热通量超过 1 KW/cm2时，其冷却性能系数（COP）达到了前所未有的水平（超过 10000），与平行微通道相比增加了 50 倍。

图 嵌入式冷却结构的集成全桥整流器结构

为充分利用高性能微通道冷却结构的紧密度，研究人员开发了带有嵌入式冷却液输送通道的三层 PCB 电路板，用于引导冷却剂进入电子元器件。实际上，数据中心目前超过 30% 用于冷却的平均额外能源消耗，通过采用这种设计方法，可能会降到 0.01% 以下。

同时，该研究进一步说明，为了最大限度地实现节能，冷却应该是整个电子设备设计链中不可或缺的一部分，而不仅仅是一个事后的想法。

Matioli 说：“ 这种冷却技术将使我们能够设计出更加紧密的电子设备，并可以大大减少全球因系统冷却而消耗的能源。这项设计可以直接去除当前数据中心对于大型外部散热器的需求，研究还表明可以在单个芯片中设计超紧凑型的电源转换器。随着当前社会对于电子产品依赖程度的不断加深，将更加彰显出这一设计的社会价值。”

目前，研究人员正在研究如何管理激光和通讯系统等其他设备中的热量。

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