华人学者解读：芯片散热难题获重要进展，未来潜力巨大

图片来自V. Navikas

导 读

最近，芯片的话题一直被国人关注，因为它是很多人的一块 “芯痛”。围绕着芯片，其散热问题一直困扰着工业界，本周 Nature 发表了一篇论文较好地解决了这一难题。为此 Nature 邀请了来自斯坦福大学机械工程系华人研究员魏体伟撰文评论。本文为《知识分子》邀请魏体伟对这一技术的中文解读。

2015年，魏体伟加入欧洲微电子研究中心（imec），致力于为高性能系统开发低成本、高效率的电子冷却解决方案，2020年魏体伟获得imec和比利时荷语鲁汶大学博士学位。目前，他的研究兴趣包括用于高热通量应用的冲击射流冷却和嵌入式微通道冷却。

撰文 | 魏体伟

责编 | 叶水送

随着对更强大、更高效和更小的功率电子器件的需求不断增加，器件的功率密度变得越来越高，这对大功率器件的散热提出了更高的挑战。

总体上讲，在数据中心，冷却系统的功耗占电力消耗的很大一部分。因此，探索具有高冷却性能和低泵浦功率的节能冷却设计，可以显著地降低电力消耗和成本。

斯坦福大学机械工程系纳米传热研究组的博士后/研究员魏体伟

当前，用于连接芯片和芯片外接散热器的导热界面材料（TIM）是主要的散热瓶颈。嵌入式微流体沟道冷却器是在半导体衬底背面刻蚀出微流体通道，从而可以避免使用热界面材料。

该微流体冷却通道通常在器件衬底的背面进行沟道的蚀刻，这可以使液体冷却剂更靠近有源器件。但采用直的、平行的微通道进行的嵌入式液体冷却会在沿着通道的方向产生高的压降和较大的温度梯度。与平行微通道散热方案相比，带有歧管微通道散热器的嵌入式液体冷却显示出对泵送功率要求和热阻的大幅降低。

魏体伟在Nature上的评论文章

其实，带有3D歧管散热器冷却器（EMMC）的嵌入式微通道已研究了很多年，但是面临诸多挑战：

从设计的角度来看，如果电热的协同设计会避免出现过冷却度，也就是过多地能量消耗。从制造的角度来看，半导体器件是通过传统的半导体工艺制造的，和微流体散热器的加工是分开的。后续的键合和组装大大地增加了制造的复杂性、成本以及相关的可靠性问题。如人们尝试使用几种键合技术来连接半导体器件和微流体散热装置，这将大大增加制造成本。并且如果键合界面不好，则存在潜在的微流体泄露。

Matioli等人提出的微流体冷却解决方案

洛桑联邦理工学院 Elison Matioli 带领的研究团队提出了一种创新的制造方法，分别考虑了电气设计和微流体冷却解决方案设计：

首先，该制造方法具有潜在的低成本。由于现有的基于歧管的微通道冷却解决方案分别考虑了歧管制造和微通道制造。这种单片集成的微流体冷却器仅需要常规的制造过程就可以完成。简化的制造过程，无需额外的键合工艺，使得该解决方案在经济上变得可行；其次，该方案具有非常高的冷却性能：与现有的歧管微通道散热器相比，这种新的冷却系统可实现更高的冷却效率。其解决方案是消除了热界面材料带来的热阻，使散热微流体通道更靠近芯片热源的下方；第三，这研究成果首次展示高性能单片多歧管微通道散热器和氮化镓器件的单片集成。

Matioli团队设计的方法新颖且奠定了在同一整体结构中集成冷却和电子器件的基础。这种方法是原创和创新的，对于未来的电力电子应用具有巨大的潜力。