黑科技,首个内置冷却系统的芯片诞生,散热效率提高50倍

黑科技,首个内置冷却系统的芯片诞生,散热效率提高50倍
2020年09月13日 20:36 电子产品世界

原标题:黑科技,首个内置冷却系统的芯片诞生,散热效率提高50倍 来源:德味儿Harlemyin

冷却电子设备

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202009/418257.htm

无论是数据中心,超级计算机还是笔记本电脑:芯片和其他半导体组件产生的大量热量是现代电子产品的最大问题之一。一方面,它限制了组件的性能和结构密度,另一方面,冷却过程本身也消耗了大量的能量,这些能量用于冷却风扇或水冷的泵。

为了解决这个问题,科学家一直在研究提高热量从芯片传递到冷却剂效率的办法。例如,使用导热性更好的金属充当冷却系统和芯片之间的接触面。但是,过去的所有方法的效率都不算很高,而且随着散热效率的提高,散热系统的复杂程度和制造成本也指数级上升。

如今,瑞士科研人员终于找到了更好的方法,发明出一种不需要外部冷却的芯片,它集成在半导体中的微管将冷却水直接带到晶体管周围,这不但极大的改善了芯片散热效果,而且还能节省能源,使未来的电子产品更环保。更棒的是,刊登在《自然》(Nature)上的论文称(论文见上图),这种集成式冷却的生产比以前的制程还更便宜。

半导体中的冷却通道

瑞士洛桑理工大学(EPFL)的Remco van Erp和他的团队开发出这种全新的高效方法,不再从芯片外部冷却,而是直接在内部冷却芯片,冷却液从下方流过半导体材料中集成的微管,意味着作为热源的晶体管产生的热量会被直接散去。

研究人员解释说:“微管与芯片内的晶体管直接接触,这在热源和冷却通道之间建立了更好的连接。冷却通道的三维分支还有助于冷却剂的分配,并降低了冷却剂循环所需的压力。”

非常高效

对该冷却系统的初步测试表明,它可以驱散每平方厘米1.7千瓦以上的热量,每平方厘米仅需0.57瓦的泵功率。这明显小于外部蚀刻冷却通道所需的功率。研究人员说:“观察到的冷却能力超过每平方厘米一千瓦,相当于效率比外部散热手段提高了50倍。”

如果将采用内部冷却系统的芯片用于大型数据中心,那么,冷却所需能耗在整个系统中所占的份额直接从30%降低至仅0.1%。对于便携设备来说,这种冷却技术还可以使电子设备进一步小型化,从而扩展摩尔定律。

更经济

集成的微芯片冷却还有另一个优势:比在外部添加的冷却单元更便宜。因为在生产中可以直接将冷却微管与芯片电路一起引入到半导体中,所以制造成本更低。该过程大概如下(上图):首先,将窄缝蚀刻到涂覆有氮化镓的硅衬底中。然后,将槽口扩展到冷却通道,同时用铜密封开口。然后再加工电子电路。

研究人员解释说:“整个冷却结构可以直接集成到基板中,只需要常规的加工方法即可,这非常经济。”他们认为,这种内部冷却的微芯片将使未来的电子产品更紧凑,更节能。

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