芯片散熱技術重大突破：科學家將冷卻系統性能提升50倍
你可能有過這樣的經歷，當你的手機在運行大型游戲時，或者電腦在運行視頻剪輯軟件時，它們可能會熱得發燙，而且游戲會卡頓，視頻剪輯軟件也會處于未響應狀態。這一切的原因，或多或少都與電子設備中電子電路的散熱性能有關。
如今，熱管理已經是未來電子產品面臨的主要挑戰之一。隨著數據生成和通信速度的不斷提高，以及工業器件尺寸和成本的不斷降低，電子產品的功率密度也一直在增加，電子電路的冷卻已變得極具挑戰性。
目前，由于液態冷卻的散熱性能大大優于金屬散熱器，液體散熱技術被逐漸應用在大功率器件或者高性能計算芯片上。但這種液體必須是絕緣體，并且不能與電子元件發生任何化學反應。而且，盡管液體冷卻系統可用于冷卻電子器件，但是傳統的液態冷卻器可以產生溫度梯度以及能耗大等問題。
將液體冷卻系統嵌入微芯片是一種很有吸引力的方法，但當前芯片和冷卻系統的設計限制了冷卻系統的效率。
近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）助理教授伊麗尚·馬蒂尼奧（Elison Matioli）及其同事研發出了一種新型集成液體冷卻系統，通過將液體冷卻系統直接嵌入電子芯片內部，來控制電子產品產生的熱量。與傳統的電子冷卻方法相比，這種方法的冷卻性能最高可以達到傳統設計的 50 倍，是一種前景可觀、可持續，并且具有成本效益的方法。相關論文已于 9 月 10 日發表在《自然》（Nature）雜志上。
據論文描述，研究人員僅使用 0.57 瓦 / 平方厘米的泵浦功率就可以散去超過 1.7 千瓦 / 平方厘米的熱通量。單相水冷熱通量超過每平方厘米 1 千瓦時，性能系數達到了前所未有的水平（超過 10000），相較于平行微通道整整增加了 50 倍，芯片的溫度也被限制在 60 攝氏度以內。
研究人員表示，通過消除對大型外部散熱器的需求，這種方法可以使更多緊湊電子設備（如電源轉換器）集成到一個芯片上。
在此次研究中，研究人員在一個極為精細的尺度上控制硅晶圓的結構，用來在氮化鎵（GaN）電路表面上放置冷卻劑通道。研究人員將設備中氮化鎵最熱的部分靠近其中一個通道，以便更有效地散熱。
為了把這項研究成果轉化為一種實際可用的冷卻裝置，研究人員開發了與之相匹配的具有內部嵌入式冷卻液輸送分布流道的三層印制電路板（PCB）電路板結構，這些冷卻液輸送通道通過激光切割，以及多層板的粘合組裝來實現，冷卻劑最后通過這些輸送通道進入電子器件背面的微流道系統，從而實現高效散熱。
該系統運行后，每輸出一瓦電，溫度只會上升大約 1/3 攝氏度，由于其耐熱性已被提高到 60 攝氏度，這意味著該設備可以吸收 176 瓦的能量，所需水流量也低于每秒 1 毫升。
研究人員表示，當前數據中心大約 30% 的能源用于冷卻，每年使用約 1000 億升水，如果采用這一設計，冷卻所需的能量有望被降到當前值的 1% 以下。
但實際上，我們離這個目標還有很長的路要走。研究人員選擇了一種極其簡單的方法來測試他們的系統，但在更復雜的情況下，布置路線可能要困難得多，尤其是在通用處理器中，芯片執行工作的部分可能會根據工作負載而改變；而且，研究人員還需要繼續對該系統進行長期穩定性測試，以確保其不會造成器件的結構缺陷，以及高溫水與銅、硅和氮化鎵的相互作用不會導致不可預見的問題。
作為該論文的三位審稿人之一，歐洲微電子研究中心 IMEC 三維系統集成博士，斯坦福大學機械工程系納米傳熱組博士后魏體偉，受 Nature 邀請撰寫 News and Views 對該項研究成果進行解讀和評論。魏體偉認為，與以往任何技術進步一樣，這項研究還有很多工作要做。例如，氮化鎵薄層的結構完整性還需進一步研究，以了解其在長期工作服役條件下對器件可靠性的影響；研究人員使用最高工作溫度為 120°C 的粘合劑將設備中的微通道連接到支撐電路板上的流體傳輸通道，這意味著組裝后的系統將無法承受更高的溫度，還需要進一步開發與電子設備制造過程溫度環境兼容的流體連接。
此外，魏體偉還表示，研究人員在此次研究中僅用了液態水進行單相流動冷卻，而大量文獻表明液體的兩項流動散熱效果會更好。在兩相流動冷卻系統中，大量的熱是通過流體的蒸發而散失的，因此，對冷卻裝置的散熱性能和器件的電氣性能評估是很有必要的。而且，由于水可能會凍結或直接與芯片接觸，對于現實應用而言，水可能不是理想的冷卻劑，未來的工作應研究使用不同的液體冷卻劑。
盡管以上問題還有待解決，但研究人員已經朝著開發低成本、超緊湊和高能效的電力電子冷卻系統邁出了一大步，他們的方法優于當前最先進的冷卻技術，而且可能會使產生高熱通量的設備成為我們日常生活的一部分。
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