无论是手机、电脑，还是电动车、卫星，人类生活似乎已经离不开电子器件。器件的微型化发展趋势，决定了一个芯片上需要集成的晶体管越来越多，如此高的热通量，使得管理电子器件中产生的热量成为了一个严峻的考验。

　　电子器件在工作中往往会发热，而热量无法及时耗散，就会严重影响设备性能，甚至发生爆炸。

　　毕竟，手机爆炸的事故，也不是一起两起了。

　　电子器件无法避免地会产生大量热量，如何将产生的热量快速耗散从而保持其性能，是当今半导体和电子器件制造领域的关键问题之一。

　　微液流冷却系统

　　微液流冷却系统，就是这方面的佼佼者之一。

　　目前的微液流系统主要有三种：

　　1）通过保护盖对芯片冷却，热穿越芯片和保护盖，随后被冷却液流收集实现冷却作用；

　　2）将芯片直接和热界面材料（thermal interface material）相连，进而将热传导至微流体冷却板。

　　以上两种效率较低，第三种微液流系统效率更高，

　　3）将冷却液直接和芯片接触，该方法效率较高的原因在于无需热界面材料、并且制备芯片的方法简单，无需其他步骤。该方法的缺点在于制备微液流系统价格高昂，同时可能存在和芯片制备过程不适配的缺点。

　　图丨EPFL

　　目前，将芯片的背面（芯片背面的半导体基底上直接刻蚀出导热的通道）浸泡在冷却液中是个比较有效率的方案，并展现出了杰出的冷却性能。该系统中的缺点在于需要高能量的泵提供冷却液在微通道中的流动过程。

　　因此，开发具有高效率冷却能力的电子器件微液流系统，是工业界的迫切需求。

　　新突破

　　近日，洛桑联邦理工学院Elison Matioli等人设计了一种微液流系统组装的微芯片，展示出优异的冷却性能。比利时鲁汶的微电子研究中心（IMEC）的Tiwei Wei对该领域中进展情况进行了评述。

　　图丨Nature

　　目前常规的设计是将微流体冷却系统和芯片分开设计和构造leyucom乐鱼官网。而Elison Matioli等人一反常规，他们的核心思路在于：将微流体通道与电子器件集成在半导体芯片内部，让冷却液在电子芯片内部流动，在最靠近晶体管发热的位置。

　　基于这种设计，他们在冷却系统中通过设计一种单片集成流形微通道（mMMC）并获得了突破，该方法中通过设计集成到芯片的发热点正下方，因此能够直接对热进行高效、定位的耗散。因此冷却效果远远高于以往的冷却系统，达到了50倍冷却性能的提升。

　　图1. 集成到芯片基底上的高效冷却系统示意图

　　具体而言，研究人员在芯片基底的结构上进行设计了一种全新结构的冷却系统：在Si基底上刻蚀孔道，获得了增强的冷却性能。

　　1）通过将微液流冷却系统更加靠近晶体管的发热点，有效的改善了冷却性能。

　　2）同时，该系统避免了外加散热器，能够在芯片微型化的过程中进一步的消除产生的热量。

　　图2. 微液流冷却系统示意图

　　制造工艺

　　该系统的构建过程：

　　1. 在Si基底上构建GaN的狭窄狭缝。

　　2. 通过各向同性XeF2气体刻蚀方法在保持GaN狭缝的过程中，对Si刻蚀进行扩孔。

　　3. 通过Cu对GaN狭缝封装。

　　4. 随后在GaN上构建芯片。

　　基于这种简单而又集成的制造工艺，确保可以在最佳位置提取热量，并防止热量散布到整个设备中。目前采用的冷却液是去离子水，该水不导电，但是研究人员已经在测试其他更有效的液体，以便可以从晶体管中吸收更多的热量。

　　图3. 微液流系统构建示意图

　　冷却性能

　　在实际构建的电能转化模块构建中，仅仅在0.57 W cm-2冷却功率就实现了对高于1.7 kw/cm2的热能有效的制冷。并且，该液体冷却系统展现了更高的能量转换密度，因为消除了自加热作用。通过和现有技术进行比较，发现本方法具有更高的导热能力。

　　图4leyucom乐鱼官网. 冷却性能图

　　展望未来

　　这种全新的设计理念，将原本分离的两个工艺集成到一起，新型的冷却技术有望在单个芯片中创建超紧凑型电源转换器，将使电子设备能够更加紧凑，并大大减少全球能源消耗。

　　参考文献：

　　【1】Remco van Erp et al. Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling. Nature 2020

　　https://www.nature.com/articles/s41586-020-2666-1

　　【2】Tiwei Wei, All-in-one design integrates microfluidic cooling into electronic chips, Nature 2020, 585, 188-189.

　　DOI: 10.1038/d41586-020-02503-1

　　https://www.nature.com/articles/d41586-020-02503-1

　　【3】Transistor-integrated cooling for a more powerful chip

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