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電子芯片是前沿科技、國(guó)計(jì)民生和國(guó)家安全的基礎(chǔ)保障。隨著高性能計(jì)算、人工智能、電力電子和通信雷達(dá)等芯片的集成度和功率不斷提高，其發(fā)熱密度也不斷攀升，部分芯片平均熱流密度可高達(dá)千瓦每平方厘米（kW/cm²）級(jí)別，局部熱流密度則更高。發(fā)熱問(wèn)題不僅會(huì)導(dǎo)致器件性能衰退、可靠性降低、壽命縮短，同時(shí)也帶來(lái)顯著的能耗挑戰(zhàn)，比如數(shù)據(jù)中心的耗電量占全球電力超過(guò)1%，其中約40%用于熱管理。
傳統(tǒng)的封裝以及風(fēng)冷與冷板等技術(shù)受限于對(duì)流換熱系數(shù)低、材料熱導(dǎo)率低、界面熱阻高等諸多因素，難以滿足下一代芯片的散熱需求。近年來(lái)，嵌入式微流冷卻備受關(guān)注，該技術(shù)通過(guò)在芯片背部基底刻蝕和集成微通道，將冷卻液直接輸送至芯片結(jié)區(qū)熱點(diǎn)附近，從而根本性地縮短熱傳導(dǎo)路徑。然而，盡管已經(jīng)不斷逼近“零傳導(dǎo)熱阻”的理想狀態(tài)，芯片尺度冷卻熱流密度仍難以超過(guò)2000W/cm²。進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)流換熱雖然可以提升冷卻性能，但往往也會(huì)大幅增加驅(qū)動(dòng)流體所需的能耗。未來(lái)芯片如何高效冷卻，是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)亟需解決的重大難題。
近日，北京大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院能源與資源工程系宋柏研究員團(tuán)隊(duì)以“Jet-enhanced manifold microchannel for cooling electronics up to a heat flux of 3000 W/cm²”為題，于Nature Electronics期刊發(fā)表論文，創(chuàng)新性地提出“歧管-微射流-鋸齒微通道”復(fù)合嵌入式微流結(jié)構(gòu)，使用單相水作為冷卻液，實(shí)現(xiàn)了3000W/cm²的超高熱流密度芯片冷卻，同時(shí)將單位面積冷卻功耗降低至0.9W/cm²——相當(dāng)于每消耗1份電量就可以帶走超過(guò)3000份熱量。
該設(shè)計(jì)基于硅基微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）標(biāo)準(zhǔn)工藝，直接在硅襯底背面刻蝕集成三層微流結(jié)構(gòu)（圖1）：頂部為變截面歧管層，交錯(cuò)進(jìn)出口設(shè)計(jì)通過(guò)縮短冷卻液在微通道內(nèi)的流動(dòng)距離將總體壓降控制在極低水平；中間為微射流層，通過(guò)射流沖擊微通道底部，抑制流動(dòng)與熱邊界層，提升局部對(duì)流換熱；底層構(gòu)建鋸齒微通道網(wǎng)絡(luò)，有效緩解射流入口阻塞，并進(jìn)一步增加對(duì)流換熱面積、破壞流動(dòng)及換熱邊界層，從而減小流阻與熱阻（圖2）。團(tuán)隊(duì)共測(cè)試了四種芯片變體，包括直通道（JMC, jet-enhanced manifold microchannel）和鋸齒通道（sJMC, JMC with sawtooth wall），以及25微米和50微米兩種典型通道寬度。
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圖1 微射流增強(qiáng)的嵌入式岐管微通道冷卻芯片
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圖2 微通道與電學(xué)器件層設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該冷卻技術(shù)性能優(yōu)異：在120毫升每分鐘的流量下，25微米寬通道的芯片熱阻低至0.036Kcm²/W（圖3）；鋸齒側(cè)壁顯著降低壓降（例如，50微米寬通道下壓降從76.9kPa降至66.4kPa），并維持或略優(yōu)于直通道的冷卻性能。在極限性能測(cè)試中，冷卻超過(guò)1000W/cm²的熱流時(shí)該方案性能系數(shù)（COP）高達(dá)13,000，此時(shí)芯片最大溫升僅為65度。在3000W/cm²的極限工況下，芯片最大溫升控制在130度，同時(shí)壓降低于50kPa（圖4）。
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圖3 基礎(chǔ)流動(dòng)換熱性能表征與比較
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圖4 極限冷卻性能測(cè)試及對(duì)比
該微射流增強(qiáng)的嵌入式岐管微通道冷卻技術(shù)為電力電子和射頻雷達(dá)等超高熱流密度芯片的熱管理提供了新思路、新方法、新器件，可同時(shí)顯著提升冷卻性能和能效，且無(wú)需依賴超高熱導(dǎo)率基底和高性能熱界面材料。更為關(guān)鍵的是，該技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)硅基MEMS工藝制造，與現(xiàn)有集成電路產(chǎn)線兼容，在考慮產(chǎn)業(yè)化潛力的前提下，推動(dòng)了芯片冷卻技術(shù)極限散熱能力的探索。
論文通訊作者為宋柏，同時(shí)得到了北京大學(xué)集成電路學(xué)院王瑋教授的全力幫助。第一作者為宋柏課題組畢業(yè)生吳志鵠博士（現(xiàn)為香港理工大學(xué)博士后），參與作者還包括博士生肖維和畢業(yè)生何海宇博士。
相關(guān)工作獲得科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、教育部青年教師科研創(chuàng)新能力支持項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、新基石科學(xué)基金會(huì)“科學(xué)探索獎(jiǎng)”、北京大學(xué)微米納米加工技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)分子材料與納米加工實(shí)驗(yàn)室，以及北京大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)的大力支持。
北京大學(xué)在芯片高效冷卻領(lǐng)域長(zhǎng)期耕耘，具備完善的基礎(chǔ)研究平臺(tái)和多學(xué)科交叉融合的研究氛圍。通過(guò)探索多物理、多物相、跨尺度的熱量輸運(yùn)機(jī)制和芯片協(xié)同設(shè)計(jì)，推動(dòng)大功率信息處理、射頻和電力電子等芯片的發(fā)展，對(duì)我國(guó)信息和能源技術(shù)的變革以及“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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