電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于日常生活中，從計(jì)算機(jī)到充電器、空調(diào)到混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)，甚至衛(wèi)星等。對(duì)效率更高、功率更小的電子設(shè)備的需求的增加，意味著這些設(shè)備單位體積轉(zhuǎn)換的功率量的急劇增加。這反過(guò)來(lái)又增加了設(shè)備單位面積產(chǎn)生的熱量。這種方式產(chǎn)生的熱量正成為一個(gè)大問(wèn)題:美國(guó)的數(shù)據(jù)中心為冷卻其計(jì)算機(jī)技術(shù)而消耗的能源和水，與費(fèi)城（美國(guó)第五大城市）消耗的能源和水一樣多。因此，熱管理是電子設(shè)備面臨的主要挑戰(zhàn)之一。其中，將液體冷卻直接嵌入到芯片內(nèi)部是一種很高效的方法，然而，最先進(jìn)的微流體冷卻系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和構(gòu)造上都是與電子芯片分開(kāi)的，這使得液體通道無(wú)法集成到電路中，在熱點(diǎn)地區(qū)提供直接冷卻。這種集成大大增加了芯片制造的復(fù)雜性，同時(shí)會(huì)增加成本。
近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Elison?Matioli課題組提出了一種單片集成型流形微通道（monolithically integrated manifold microchannel,?mMMC）的策略，通過(guò)在同一半導(dǎo)體基底上共同設(shè)計(jì)微流體和電子元件，制備了一種帶有集成的微流體冷卻系統(tǒng)的電子設(shè)備，在抽運(yùn)功率（pumping power）僅為0.57?瓦特每平方厘米（W?cm-2）時(shí)，能夠冷卻高達(dá)1.7 千瓦每平方厘米的熱通量（heat flux），超過(guò)了所有當(dāng)前已報(bào)道的冷卻系統(tǒng)。在超過(guò)1 千瓦每平方厘米的熱通量下，作者觀(guān)察到了超過(guò)10 000的制冷性能系數(shù)（coefficient of performance, COP）。比直接的微通道提高了50倍，努塞爾數(shù)（Nusselt number）達(dá)到了16。這項(xiàng)冷卻技術(shù)將使電子產(chǎn)品進(jìn)一步小型化，有可能延續(xù)摩爾定律，并大大降低電子產(chǎn)品冷卻的能耗。此外，通過(guò)消除對(duì)大型外部散熱片的需要，這種方法使得在單個(gè)芯片上集成功率轉(zhuǎn)換器成為了可能。該研究以題為“Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling”的論文發(fā)表在最新一期的《Nature》上。
【芯片-冷卻一體化結(jié)構(gòu)圖示】
作者將嵌入式流形微通道（embedded manifold microchannels, EMMC）與芯片集成到一個(gè)裸片（die）上，設(shè)計(jì)制備了一種單片集成型流形微通道（mMMC）結(jié)構(gòu)（圖1a）。這些微通道直接埋在了芯片下方，使得冷卻劑能夠直接在熱源下面流動(dòng)。該結(jié)構(gòu)的制備過(guò)程主要為以下三個(gè)步驟：（1）在涂有半導(dǎo)體氮化鎵（GaN）層的硅基底上蝕刻狹窄的縫隙；縫隙的深度決定了微通道的深度。接下來(lái)，用一種稱(chēng)為各向同性氣體蝕刻的工藝在硅基底中的縫隙的寬度進(jìn)行拓寬，直至理想的微通道的寬度。這一過(guò)程也將各較短微通道連接成長(zhǎng)的微通道系統(tǒng)。最后，用銅將微通道頂端處GaN層的開(kāi)口封住。然后在氮化鎵層中制造電子器件。
在冷卻實(shí)驗(yàn)中，作者以去離子水作為冷卻劑。與傳統(tǒng)的直線(xiàn)平行微通道（straight, parallel microchannels, SPMC）相比，mMMC結(jié)構(gòu)在表面溫度和入口溫度之間的總熱阻Rtotal更低，接近了水冷卻的極限。總熱阻Rtotal可以分為與冷卻劑比熱容相關(guān)的Rheat，與微通道中的對(duì)流傳熱有關(guān)的Rconv以及與傳熱有關(guān)的Rcond。圖2b顯示微通道的尺寸對(duì)Rconv影響很大。
然而，微通道越窄，實(shí)現(xiàn)相同冷卻劑流量的所需的壓力就越大。在流量為0.5 ml s-1時(shí)，微通道寬度為100、50以及25 μm的SPMC結(jié)構(gòu)所需的壓力分別為160、260以及810 mbar。而mMMC結(jié)構(gòu)減小了通過(guò)微通道的流道長(zhǎng)度，從而大大降低了所需壓力（圖2c）。
這意味著mMMC結(jié)構(gòu)在降低抽運(yùn)功率的情況下能夠達(dá)到更低的熱阻。與其他微通道散熱技術(shù)相比，mMMC技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在780 W cm-2的熱通量下，mMMC結(jié)構(gòu)的冷卻性能是傳統(tǒng)SPMC結(jié)構(gòu)的50倍，展示了在節(jié)能冷卻方面的巨大潛力（圖2f）。
【芯片-冷卻一體化結(jié)構(gòu)的冷卻性能】
【基于芯片-冷卻一體化結(jié)構(gòu)的交流-直流轉(zhuǎn)換器冷卻性能】
?作者還將這種mMMC結(jié)構(gòu)應(yīng)用到了交流-直流電流轉(zhuǎn)換器中。實(shí)驗(yàn)顯示在抽運(yùn)功率僅為0.57 W cm-2時(shí)，能夠冷卻高達(dá)1.7 kW cm-2的熱通量。此外，由于消除了自熱引起的性能衰減，這種mMMC結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器比其他沒(méi)有冷卻系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率更高（圖3f,g）。
總結(jié)：作者通過(guò)在同一半導(dǎo)體基底上共同設(shè)計(jì)微流體和電子元件，制備了一種帶有集成的微流體冷卻系統(tǒng)的mMMC結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備，在抽運(yùn)功率僅為0.57 W cm-2時(shí)，能夠冷卻高達(dá)1.7 kW cm-2的熱通量，超過(guò)了所有當(dāng)前已報(bào)道的冷卻系統(tǒng)。這項(xiàng)冷卻技術(shù)將使電子產(chǎn)品進(jìn)一步小型化，有可能擴(kuò)展摩爾定律，并大大降低電子產(chǎn)品冷卻的能耗。此外，通過(guò)消除對(duì)大型外部散熱片的需要，這種方法使得在單個(gè)芯片上集成功率轉(zhuǎn)換器成為了可能。
