器件小组文献分享
Nature：集成微液流冷却系统的芯片设计
微电子行业发展的趋势之一是器件逐渐小型化，即芯片上晶体管的集成度越来越高。随之而来的是更高的功率密度及发热量，从而对散热提出了更高的要求。热耗散问题也成为了制约芯片小型化的一个核心瓶颈。另一方面，电子元件散热所需能耗日益增加，由此带来的环保问题也不可忽视(1)。
集成冷却系统的微芯片设计
在传统的器件设计中，器件电路与冷却系统往往是独立设计的，冷却效率低下且能耗问题难以妥善解决。近日，洛桑联邦理工学院的研究团队提出将芯片上的电路模块与冷却模块集成的思路，展现出了优异的散热性能，相关研究成果发表在《自然》上(2)。该团队通过将冷却系统所需的微流体管道设计在非常靠近晶体管发热处的位置，冷却液通过芯片底部的管道流入微流体管道，高效冷却晶体管，防止热量散布至整个芯片中进而影响性能（见图1动画）。
图1 冷却液流经芯片背部微通道实现散热的动画演示（剖面视角）。
该研究成果对于器件冷却效率提升能耗降低有着显著的意义，并有望提高晶体管的集成度，进一步拓展摩尔定律的极限。作者设计了一种单片集成歧管式微通道（monolithically integrated manifold microchanne，mMMC）冷却系统，将微液流通道布置在电子器件的下方。其剖面图如图2a所示，电子器件层位于GaN外延层上，其下方为冷却液所流经的微通道。冷却液管道和器件图形之间通过铜层实现密封（图2b），芯片底部则为线宽较大的主散热管道，通过背面腐蚀工艺制备（图2c）。此芯片的核心设计革新在于微液流通道的集成，其具体实现方案如下（图2d）：
制备硅片上的AlGaN/GaN外延层；
在外延GaN层上制备微米狭缝并做各项异性深刻蚀（深度100 μm）；
通过XeF2气体各向同性刻蚀技术将在硅层制备宽管道，
之后通过电镀铜将GaN层上的微孔进行密封。
最后在管道阵列冷却系统的正上方制备电子器件。这种协同设计可以在较低的泵浦功率下实现均匀高效的降温，采用嵌入式设计利用低成本的硅层制备冷却液通道，相比于常规芯片设计，节省了高导热率衬底的成本。
图2 集成微液流冷却系统的电子芯片示意图。
a. 装置结构示意图；b. 芯片俯视图；c. 芯片侧视图；d. 芯片制备工艺流程示意图。
冷却性能评估
此工作中，作者采用不同的冷却结构，比较了平行直管微通道（straight, parallel microchannels, SPMCs）与mMMC方案的散热效率。SPMC与mMMC的微观结构图分别如图3a、3b所示。SPMC方案随着其管道宽度的降低，散热效率逐渐提升，但所需泵浦压力随之增高。为达到0.5 mL/s的流量，100 µm，50 µm和25 µm宽度的SPMC分别需要160 mbar，260 mbar和810 mbar的压力，这意味着散热所需的能耗会显著增加。mMMC设计则可以通过减小微通道的流动路径长度来显著降低压降，当用10流道歧管将液流分流成较小的部分时，压力仅需210 mbar，意味着在mMMC设计在较低的泵浦功耗下也可实现较高的散热效率。
图3 微通道冷却系统结构图。
a. 具有平行直管微通道（SPMC）结构的电镜表征结果，比例尺宽度为1 mm；b. 单片集成歧管式微通道（mMMC）结构的电镜表征结果，比例尺宽度为0.85 mm。
利用去离子水作为冷却剂，在10流道歧管mMMC结构上最高可实现高达1723 W/cm2的热通量。与他们此前的（25 μm宽的SPMCs）方案相比，10流道歧管的mMMC结构的冷却性能系数（cooling coefficient of performance, COP）提升了50倍。作者进一步比较了文献报道中的各类冷却器的热通量及COP值，可以看出这种mMMC设计具有优越的冷却性能（图4）。
图4 各种冷却器的冷却性能系数（COP）。
具有嵌入式冷却功能的电源集成电路实例
作者使用嵌入式方案制备了交流-直流转换器（AC-DC），在印刷电路板上设计通道以实现冷却液的进入与流出。他们将全桥整流器单片集成到单个GaN-on-Si芯片上，利用四个肖特基势垒二极管实现整流功能，硅基底上集成了50 µm宽的冷却通道（图5a）。通过设计具有冷却液流动系统的印刷电路板（PCB）可将冷却液引入芯片背部（图5b），集成微通道冷却系统的AC-DC转换器实物图如图5c~d所示，可以看出此设计方案的高紧凑性。如图5e所示，该器件阵列可以对150 V和1.2 A的峰值电压和电流的交流信号进行整流。与空气冷却相比，液体冷却方案的转换效率显著较高（图5f），在输出功率120 W的情况下，温度变化可以维持在50 K以下（图5g）。根据器件面积可换算出其功率密度较高，达到了25 kW/dm3。这意味着该冷却方案有望在将来实现高功率器件（超过千瓦）的应用。
图5 带有嵌入式液冷GaN电源集成电路的AC-DC转换器。
a. 装置结构示意图；b. PCB设计实现冷却液进出；c, d. AC-DC转换器实物照片；e. 转换器的整流波形；f. 空气冷却以及液体冷却器输出功率与转换效率的关系；g. 两种冷却方式输出功率与温度变化的关系。
总结与展望
此工作通过将冷却系统与电子器件合并设计，将冷却结构设计在基底底部，显著提升散热效率，该方案优于目前最先进的冷却技术，对于降低电子设备成本、提升集成度有着重要意义。为达到更高的器件工作温度，作者用粘合剂将芯片中的冷却微通道与PCB板中流体管道系统相连。在此工作中采用去离子水这种不太理想的介质作为冷却剂，，后续进一步通过改进冷却剂成分有望实现更高的散热效率(3)，拓展高功率设备的使用范围。
参考文献：
1. N. Jones, How to stop data centres from gobbling up the world's electricity. Nature 561, 163-167 (2018).
2. R. van Erp, R. Soleimanzadeh, L. Nela, G. Kampitsis, E. Matioli, Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling. Nature 585, 211-216 (2020).
3. T. Wei, All-in-one design integrates microfluidic cooling into electronic chips. Nature 585, 188-189 (2020).
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2666-1
撰稿人：郑珏婷（2018级博士生）
校稿人：周达海（2018级硕士生）
