可給手機(jī)降溫的微流體集成芯片

我們的手機(jī)電腦等電子產(chǎn)品在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多熱量，如果熱量沒(méi)有能及時(shí)散發(fā)，必定會(huì)影響設(shè)備的性能與使用。有研究人員發(fā)現(xiàn)，將微流體系統(tǒng)集成到微芯片內(nèi)部，展現(xiàn)出了卓越的冷卻性能。

提升電子系統(tǒng)性能的一個(gè)高效又節(jié)能的策略是將微流體冷卻通道集成到芯片中，以防止芯片過(guò)熱。然而，此前設(shè)計(jì)并構(gòu)建的最先進(jìn)的微流體冷卻系統(tǒng)卻是獨(dú)立于電子芯片之外的，妨礙了將通道集成到電路中為熱區(qū)提供直接的冷卻。

由于這種集成會(huì)顯著增加芯片制造的復(fù)雜度，成本也會(huì)相應(yīng)提高。van Erp等人在《自然》上發(fā)表論文，報(bào)道了一種集成微流體冷卻系統(tǒng)的電子設(shè)備，讓微流體冷卻系統(tǒng)與電子元器件緊密結(jié)合，并且采用一種單次的低成本工藝流程進(jìn)行構(gòu)建。

電力電子技術(shù)使用固態(tài)電子器件將電能轉(zhuǎn)換成不同的形式，可見(jiàn)于各種各樣的日常應(yīng)用[2]，從計(jì)算機(jī)到電池充電器，從空調(diào)到混合動(dòng)力汽車(chē)，甚至衛(wèi)星。對(duì)更高效率、更小功率的電子器件的需求越來(lái)越大，意味著這些器件每單位體積轉(zhuǎn)換的功率量已經(jīng)大幅增加。這反過(guò)來(lái)又增加了器件的熱流密度，即單位面積產(chǎn)生的熱量。以這種方式產(chǎn)生的熱量已經(jīng)成為了一個(gè)大問(wèn)題：美國(guó)的數(shù)據(jù)中心用于冷卻計(jì)算機(jī)的能源和水與費(fèi)城全城的住宅用量相同。

微流體冷卻系統(tǒng)在降低電子器件溫度方面蘊(yùn)含著巨大潛力，因?yàn)闊崃靠梢愿咝У貍鬟f到這些系統(tǒng)?？傮w上看，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出三種微流體冷卻方案。第一種用于冷卻被保護(hù)蓋蓋住的芯片。

熱量從芯片經(jīng)蓋子傳遞到帶有微流體通道的冷板，液體冷卻劑會(huì)流過(guò)通道。這里用兩層熱界面材料(TIM)幫助將熱量從蓋子傳遞到冷板：一層在蓋子與板之間，另一層在蓋子與裸片(用于制作芯片的半導(dǎo)體硅片)之間。

在第二種設(shè)計(jì)方案中，芯片沒(méi)有蓋子，因此，熱量從芯片背面通過(guò)一層TIM層直接傳遞到微流體冷卻板。這兩種方法的主要缺點(diǎn)是需要TIM層——雖然TIM的設(shè)計(jì)能有效傳熱，但在TIM層與裸片、蓋子和冷板之間的界面處仍會(huì)產(chǎn)生熱流阻力。

有效解決這個(gè)問(wèn)題的方法是使冷卻劑與芯片直接接觸——這是第三種常用設(shè)計(jì)。例如，裸片直接噴射冷卻是一種很有價(jià)值的技術(shù)，液體冷卻劑可以從微通道中的噴嘴直接噴射到芯片背面[5–7]。由于沒(méi)有TIM層，這種方法的冷卻效率很高，并且不需要改變芯片制作過(guò)程。然而，微流體器件的制作一般比較昂貴。雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了低成本的基于聚合物的技術(shù)，但其不適用于電子設(shè)備目前的生產(chǎn)和組裝工藝。

另一種是冷卻劑直接與芯片背面直接接觸的方法是嵌入式液體冷卻，讓冷的液體通過(guò)直接蝕刻在半導(dǎo)體器件中的直的平行微管道(SPMC)泵送。這能有效將芯片背面變成了散熱器，并展現(xiàn)出卓越的冷卻性能。但是，與其他方法相比，裸片需要額外的加工過(guò)程。SPMC的主要缺點(diǎn)是，當(dāng)液體流過(guò)時(shí)，管道中的壓力會(huì)大大增加，這意味著需要一個(gè)大功率的泵。這增加了能耗和成本，并對(duì)半導(dǎo)體器件產(chǎn)生具有潛在破壞性的機(jī)械應(yīng)力。另一個(gè)大的缺點(diǎn)是芯片上會(huì)產(chǎn)生高溫梯度，這會(huì)引起熱機(jī)械應(yīng)力并導(dǎo)致薄裸片的局部翹曲。

與SPMC相比，名為嵌入式分流微通道(EMMC)的三維冷卻系統(tǒng)在降低泵送能量需求和溫度梯度方面具有巨大潛力。在這種系統(tǒng)中，一個(gè)三維層級(jí)分流管(具有數(shù)個(gè)分配冷卻劑端口的通道部件)為嵌入式微通道提供多個(gè)入口和出口，從而將冷卻劑分流到多個(gè)平行區(qū)域。然而，將EMMC集成到電力電子器件的芯片中增加了器件制造的復(fù)雜度和成本。因此，先前報(bào)道的EMMC是作為單獨(dú)的模塊被設(shè)計(jì)和制作出來(lái)的，后續(xù)再將其結(jié)合到熱源或商用芯片上以評(píng)估其冷卻性能。

Van Erp等取得了突破，他們開(kāi)發(fā)了一種一體化集成式分流微管道(mMMC)——在該系統(tǒng)的單個(gè)裸片中，EMMC與芯片集成并共同制造。因此，掩埋的通道嵌入在芯片有效區(qū)域的正下方，從而使冷卻劑能夠直接從熱源底下通過(guò)。

微芯片一體化冷卻系統(tǒng)。Van Erp等人為電子設(shè)備芯片開(kāi)發(fā)了一種通用設(shè)計(jì)方案，其中，作為冷卻系統(tǒng)的微通道系統(tǒng)是與芯片共同制造的。冷水流過(guò)分流管，將水輸送到硅基微通道中。水直接從氮化鎵層下面流過(guò)，氮化鎵是一種半導(dǎo)體材料，氮化鎵層包含了電子器件組件(未顯示)。因此，冷水有效地散發(fā)器件產(chǎn)生的熱量，保證其具有良好的性能。頂部的金屬觸點(diǎn)將通道密封。

mMMC的制作過(guò)程包括三個(gè)步驟。首先，將窄縫刻蝕到覆蓋了一層半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)的硅襯底中;窄縫的深度即是要制作的通道的深度。然后使用一種被稱(chēng)為各向同性氣體刻蝕的工藝，將硅中的窄縫加寬到通道的最終寬度;這種蝕刻工藝還使短的通道連接起來(lái)產(chǎn)生更長(zhǎng)的通道系統(tǒng)。最后，通道頂部的GaN層的開(kāi)口被銅密封。隨后就可以在GaN層中制造電子器件。與先前報(bào)道的制作分流微通道的方法不同，van Erp及其同事開(kāi)發(fā)的流程不需要分流通道和器件之間鍵合或連接。

作者還應(yīng)用他們的設(shè)計(jì)和構(gòu)建方法制作了一個(gè)電力電子模塊，將交流電(a.c.)轉(zhuǎn)換為直流電(d.c.)。使用該設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表明，僅使用0.57 W cm–2的泵功率就可以冷卻超過(guò)1.7千瓦/平方厘米的熱流密度。此外，由于消除了自體發(fā)熱引起的性能減退，液體冷卻設(shè)備展現(xiàn)出明顯高于同類(lèi)未冷卻設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率。

Van Erp和同事的結(jié)果令人印象深刻，但是與任何的技術(shù)進(jìn)步一樣，要做的還很多。例如，需要進(jìn)一步研究薄的GaN層的結(jié)構(gòu)完整性隨時(shí)間的變化，以了解它能夠穩(wěn)定多長(zhǎng)時(shí)間。此外，作者使用最高工作溫度為120°C的粘合劑將設(shè)備中的微通道連接到支撐電路板上的流體運(yùn)輸通道。這意味著組裝后的系統(tǒng)將無(wú)法承受更高的溫度，例如回流焊接(一種電子設(shè)備制造常用的流程)一般用到的溫度(250°C)。因此，與制造中使用溫度相匹配的流體連接方案仍有待開(kāi)發(fā)。

另一個(gè)未來(lái)的研究方向是在交流直流轉(zhuǎn)換器的最新設(shè)計(jì)中采用mMMC概念。van Erp及其同事發(fā)表的設(shè)計(jì)是一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試案例。此外，在他們的實(shí)驗(yàn)中，作者僅使用液態(tài)水進(jìn)行了單相冷卻(也就是說(shuō)，水并沒(méi)有因?yàn)檫^(guò)熱變成氣體)。

在兩相流冷卻系統(tǒng)中表征器件的冷卻和電力性能將會(huì)很有用。兩相流冷卻系統(tǒng)中，液體蒸發(fā)帶走熱量。最后，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，水可能不是理想的冷卻劑，因?yàn)樗薪Y(jié)冰或者直接與芯片接觸的風(fēng)險(xiǎn)。

未來(lái)的工作需要研究使用不同的液體冷卻劑。盡管仍有一些需要解決的挑戰(zhàn)，van Erp及其同事的工作是向低成本、超緊湊、高能效電力電子冷卻系統(tǒng)邁出的一大步。

他們的方法超過(guò)了目前最先進(jìn)的冷卻技術(shù)，并且有望使產(chǎn)生高熱流密度的器件成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧?