芯片内集成的液冷系统：散热效果好，有助于电子产品进一步小型化

导读

据瑞士洛桑联邦理工学院官网近日报道，该校研究人员公布了其首个在芯片中集成的液体冷却系统。与传统冷却方式相比，这种新型冷却方法具有卓越的冷却效果，并且前景广阔、可持续、低成本、高效益。

背景

如今，小型化已成为电子产品最重要的发展趋势之一。在电子产品内，控制电流与存储信息的晶体管也在越变越小。著名的摩尔定律曾指出：“当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。”

摩尔定律-集成电路芯片上晶体管数量（1976-2016）（图片来源：维基百科）

随着电子产品越变越小，以及一颗芯片上容纳的晶体管越变越多，如何控制电子产品所产生的热量已经成为备受科研人员关注的重大问题之一。为了防止电子产品过热并保持其高效运行，科研人员通常会采用液冷、风冷等散热方法。

电脑内部的水冷装置（图片来源：维基百科）

电子产品降温所用的风扇（图片来源：维基百科）

然而，液冷和风冷技术都有自身的缺点。液冷技术需要耗费大量水资源，占据一定空间；风冷技术制冷效果一般，会产生噪音，还会消耗额外电力。

近年来，研究人员开始探索将液冷技术直接嵌入到芯片内部，从而实现效果更好、效率更高的新制冷技术。可是，就目前的设计而言，芯片制造系统与冷却系统仍然是相互独立的，无法发挥出嵌入式冷却系统的全部节能潜力。

创新

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员将芯片系统设计与制冷系统设计这两个独立的设计步骤合为一步，开发出一种与电子器件集成在一起的微流体冷却技术，可以有效地控制晶体管产生的大量热量。

（图片来源：EPFL）

他们的研究成果于9月9日发表在《自然》（Nature）杂志上，将通向更加紧凑的电子器件，并实现在单颗芯片上将电源转换器和几个高压器件集成到一起。

技术

在欧洲研究委员会资助的这个项目中， Elison Matioli 教授和他的博士生 Remco Van Erp 以及来自工学院功率和宽带隙电子研究实验室（POWERLAB）的团队在设计电子器件时，开始真正地转变思想，从一开始就希望将电子器件与制冷系统结合在一起，从而在器件中最热的区域附近吸收热量。Van Erp 表示：“我们想要结合电气工程与机械工程方面的技能，创造出一种新型器件。”

团队希望解决如何冷却电子器件特别是晶体管的问题。Elison Matioli 表示：“控制由这些器件产生的热量已成为电子产品发展道路上的最大挑战之一。最大限度地减小对于环境的影响变得越来越重要，所以我们需要创新型的制冷技术，以可持续、低成本、高效益的方式有效地处理芯片产生的大量热量。”

他们的技术是基于在半导体芯片内将微流体通道与电子器件集成到一起，让冷却的液体在电子芯片内部流动。Matioli 表示：“我们将微流体通道放置在非常靠近晶体管散热点的位置，并采用简单的集成制造工艺。这样一来，我们就可以在正确的位置吸收热量，并防止热量扩散到整个器件中。”他们使用去离子水作为冷却液，去离子水是不导电的。Van Erp 表示：“我们在实验中选择了这种液体，但是我们已经测试了其他更有效的液体，以便可以从晶体管中吸收更多的热量。”

Matioli 表示：“这种冷却技术将使我们能够设计出更加紧凑的电子器件，并显著地减少全球能耗。我们已经消除了对于大型外部散热器的需求，而且这项研究还表明可以在单颗芯片中创造出超紧凑的电源转换器。随着当前社会对于电子产品依赖程度的不断加深，这一设计将更有价值。”研究人员正在研究如何在激光器和通信系统等其他器件中控制热量。

关键词

晶体管、制冷、微流体

参考资料

【1】Remco van Erp, Reza Soleimanzadeh, Luca Nela, Georgios Kampitsis, Elison Matioli.Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling.Nature, 2020; 585 (7824): 211 DOI: 10.1038/s41586-020-2666-1

【2】https://actu.epfl.ch/news/transistor-integrated-cooling-for-a-more-powerful-/

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