芯片研究新进展性能提高50倍——自带冷却系统的晶体管

集成了微流体冷却系统的半导体芯片可能会带来目前实验室外无法实现的效率。

如今，密集包装的电子设备会产生大量热量。问题在于，热量是管理和排放的昂贵资源，而保持系统冷却也是如此。数据中心尤其感到痛苦，其中一些消耗的能源和水与整个城市一样多。实际上，Microsoft为了抵制数据中心的高温，将其放在海底以保持凉爽。

现在，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员希望通过将液体冷却通道直接集成到半导体芯片中来减少电力电子设备中的热量及其后续资源消耗。这将使它们更小，更便宜，更高效。

他们的研究已发表在《自然》杂志上，描述了EPFL团队如何开发其集成的微流体技术以及可以有效管理晶体管产生的大热通量的电子设备。

将冷却直接集成到芯片中

传统上，电子和热管理系统是彼此独立设计和开发的。但是，根据EPFL电气工程学教授Elison Matioli的说法，这会造成效率低下，因为热量必须经过很长的距离传播并通过多种材料才能被清除。

作为更有效的替代方法，Matioli和他在EPFL的团队开发了一种低成本的工艺，该工艺将微流体冷却通道的三维（3D）网络直接集成到硅芯片中。

其背后的想法是，流体的排热性能要比空气好得多，并且通过将这些通道放置在距离芯片最热区域仅几微米的地方，它们可以有效地散发热量并消除其他冷却方法。

微流体通道的位置非常靠近晶体管的热点，从而可以在正确的位置提取热量，以实现最高效率。图片由EPFL提供

与以前报道的微流体冷却技术不同，EPFL团队“从一开始就”设计了电子设备和冷却系统。这意味着微通道位于每个晶体管器件的活动区域的正下方（在该区域中产生的热量最多），冷却效率提高了50倍。

相反，先前对微通道冷却系统的尝试是通过分别构建两个零件，然后将它们彼此粘合，从而增加了耐热性。

工艺：气体蚀刻技术

在这项研究中，EPFL研究人员在涂覆在硅基板上的氮化镓（GaN）层中蚀刻了30微米长，115微米深的微米级狭缝。使用气体蚀刻技术，这些狭缝在硅基板中加宽以形成用于泵送液体冷却剂的通道。

研究人员使用以下设置来评估热工液压性能。图片由自然提供

然后将这些狭缝用铜密封，并将芯片本身构建在顶部。“我们在与每个晶体管接触的晶圆的微小区域上只有微通道，” Matioli说。他补充说，这使该技术特别有效，因为只需很少的泵送功率就可以吸收大量热量。

性能提高50倍

为了证明其芯片的可行性，研究人员构建了由四个肖特基二极管组成的AC-DC整流器电路。这种类型的电路通常需要一个大的散热器，但是在集成冷却系统的情况下，芯片位于一个小PCB上，该PCB由三层组成，上面刻有用于冷却剂输送的通道。

该测试的结果表明，密度仅为1,700 cm2的设备上的热点可以仅用0.57 W / cm2的泵浦功率进行冷却，与以前报道的微流体冷却技术相比，性能提高了50倍。
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