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新型电子冷却系统模仿了人类的毛细血管

2020-09-28 17:30:56 来源:

随着电子产品尺寸越来越小,密度越来越高,它们也越来越热。它们的成分在高温下不能发挥最佳性能,因此,应对电子在这些收缩物品中流过半导体时产生的不断升高的热量是一项巨大且日益紧迫的技术挑战。

有多种冷却组件的方法,从简单的风扇冷却的热交换器到更紧凑,更复杂的系统。后者之一涉及为半导体芯片配备一个微型设备,该微型设备具有流经该流体的微通道以带走热量。这些通道必须尽可能小,以便更多的通道可以安装在单个芯片上。但是通道越小,液体流动所需的压力就越大,而这种压力可能需要大量的能量。

现在,洛桑瑞士联邦技术学院(EPFL)的科学家表示,他们已经开发出一种新技术来使此类系统更加节能。在这种新颖的方法中,微通道网络(其建筑设计是受人类循环系统的启发而来的)是建立在半导体内部的,而不是随后与之相连。该研究结果被发表在周三性质。

EPFL电气工程学院的教授Elison Matioli及其同事使用了一种芯片,该芯片在较厚的硅基板上包含一层薄薄的半导体材料(称为氮化镓或GaN)。在普通芯片中,该衬底仅支撑GaN层。但是在新系统中,微通道被刻在基板上,并定位成与芯片中最容易发热的部分精确对齐。

为了解决通过微小通道泵送水或其他冷却液所需的高能量问题,研究人员设计了由较宽的通道组成的分配网络,这些通道仅在集中热量的精确位置处变窄。这种布置大大减少了所需的能源总量。

Matioli说:“这就像人类的循环系统一样,它是由更大的血管组成的,它只会变薄,在某些部位变成毛细血管。”实验(其中一些必须在COVID-19大流行关闭了电气工程学院的设施之后,在一个研究人员的公寓中的实验室中进行)表明,该系统的性能系数(衡量其效率)比其高50倍。通过另一种使用均匀宽度微通道且未集成在半导体内的冷却技术实现的效果。

论文的同行评审之一,大学微电子中心和鲁汶大学的研究员Tiwei Wei表示,这种方法的主要突破是一种创新的制造方法,该方法将电子和冷却结构集成在单个制造过程中。在比利时。他补充说,这种集成有助于使微通道更接近特定的过热区域,从而更有效地冷却物体。

“这是一篇重要的论文,因为它弥合了两个社区之间的鸿沟:电力电子社区和电子制冷社区。目前,大多数研究都将它们分开对待。”戴显明(Simon)戴说,他是德克萨斯大学达拉斯分校机械工程系的助理教授,但并未参与这项研究。

热工程通常是事后才想到的,只有在设计电气系统之后才考虑。但是,伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的机械科学和工程学教授,拉尔夫·安德森(Ralph A. Andersen)教授,威廉·金指出,一些研究小组已经开始考虑对电子和冷却解决方案进行代码签名的概念。金也说:“本文显示了一项重要的贡献,它确实证明了可行的方法。”他也没有参与新论文的撰写。

Wei认为,这项研究的局限性之一是,它将创新的冷却解决方案应用于相对简单的测试案例。他说:“未来的方向是将该概念应用于最新的转换器设计中。”他还补充说,他还对微通道顶部的GaN薄层的结构完整性存有疑问。“从长远来看,我担心的是,液体流经设备下方的通道可能会导致应力,从而可能影响设备。”

金说,这项研究的下一步应该是表明可以在其他材料中使用微流体冷却通道,并探索更高级的三维几何形状的可能性。他说:“随着这一概念的成熟,我的设计将越来越像人类循环系统的毛细血管网络,在分支体系结构中,大通道与小通道相连。”

金指出,热管理是所有类型电子设备的主要限制,尤其是电力电子设备,例如用于混合动力和电动车辆的电子设备,电网和通信。

“从原理上讲,该技术可用于所有类型的电子产品:例如,用于冷却计算机芯片或用于可能具有高功率密度的应用,例如太阳能电池板或电动汽车,” Matioli说。他补充说,这不可能为所有电子设备提供实用的解决方案,但是,因为在某些应用中,液体在电子部件内部循环是不希望的。

Matioli认为该技术在数据中心中具有巨大的潜力,该数据中心消耗大量的能源,其中大部分进入了冷却系统。他说,仅在美国,所有数据中心的耗电量就相当于费城这样的城市的住宅需求。平均而言,数据中心使用的能源中有30%用于制冷。他的团队的论文认为,采用这种新方法可能会大大减少支出。