芯片热设计之微尺度液冷

本文摘要（由AI生成）：

文章主要讨论了芯片发热量增加导致的电子散热问题。随着晶体管数量的增加，芯片性能得到提升，但发热量也随之增加。摩尔定律预见了晶体管密度的增加，但并未解决散热问题。硅光子科技也未能解决这一问题。目前，许多电子产品采用散热器、风扇等外部散热手段，但这些手段无法解决芯片内部热源到芯片外壳的传热阻力问题。美国国防部高级研究计划局提出了一种微尺度流动散热方法，将移热介质直接贯穿到芯片发热间隙中，可以卓有成效地解决当前高功耗密度芯片的散热问题。这种方法将芯片的材料设置、制造流程以及工作的环境条件综合考虑，使得芯片满足设计者的要求。如果芯片的微流体冷却技术能够成功应用，那么它将有机会挑战摩尔定律。

同尺度的芯片发热量的逐渐增大是目前热设计问题愈来愈严峻的直接原因。在新的基础材料出现之前，芯片性能的提升依然主要依靠内部晶体管数量的提升。

晶体管内，电子的移动形成电流，而电子移动过程中不可避免地会受到阻滞，这种阻滞将转换为热量。这样，在新的计算机制或信息物理载体出现之前，芯片功率持续上升几乎是一种必然。芯片发热量的增加是导致电子散热问题的关键因素。

摩尔定律预见了晶体管可以做到非常密集，但非常密集并不意味着无限密集。前几年炒作的硅光子科技也并未规模化引入半导体行业。

当前，Intel计划的10nm工艺已经在研究中，而硅原子，芯片的温度控制已经很大程度上限制了该类产品的设计。 

当前，一个很普遍的现象是，许多电子产品中，打开机壳可以看到各种尺寸的散热器。事实上，无论是导热界面材料、散热器还是风扇，甚至是当前被看好的液冷，但无论外部的热手段如何设计，芯片内部热源到芯片外壳的传热阻力只能依靠材料自身的导热系数来改善。

这样，当芯片内部热流密度达到一定程度后，仅这一层热阻就可能导致芯片热失效。如果维持原有的策略，那么所有的散热手段都将无法解决芯片的散热问题。

一个简单的计算公式，当热源与顶壳之间材料热阻位0.1℃/W时（相当于结壳热阻），一个500W的芯片，仅自身的固有温升就达到了50℃。预见到这种问题，美国Defense Advanced Research Projects Agency提出了一种微尺度流动散热方法，其设计思路如下图所示：

以常规的角度看，这种芯片内部的微尺度流动散热方案似乎很梦幻，这一散热方案的项目名称被称为ICECool (Intra/Interchip Enhanced Cooling). 。美国国防部高级研究计划局并不是想简单提出一个过渡性的散热解决方案，而是想最大程度发挥目前的科技可能性。    

这种方案最大的特色在于，移热介质直接贯穿到芯片发热间隙中，其可以方便地与芯片表面散热方案结合起来，相当于一个当前普通液冷设计中将冷头与芯片封装深度结合到一起的方案。

显然，这种结合绝不只是结构上的简单改动，冷头内部导流沟槽的设计，需要充分参考器件管脚的分布。器件集成度越来越高，势必需要设计复杂的内部沟槽流道，使得移热介质能够进入微尺度槽道内，进而带走芯片的热耗。

在微尺度条件下，热量的传递强化需要遵循与常规尺度下不同的特性原则。

可以预见，如果这种散热方案最终成行，热设计在整个芯片设计中的角色与工作量将大大提升。    

DARPA宣称，这种散热方案可以卓有成效地解决当前高功耗密度芯片的散热问题。第一阶段的实验证实，这种散热解决方案，在1KW/cm2的热流密度下（多个局部热点区域热流密度为30kw/cm2)，其热阻仅为目前常规散热手段的四分之一。第二阶段的测试将其应用到射频放大器上，其输出功率相对之前的散热方案提高了六倍。这很大程度上证实，热设计方案的优化，对于提高芯片的工作性能已经有了很大必要。良好的热设计方案，可大大提高芯片的可靠性。

洛克希德·马丁公司对这种技术非常有信心，其已经设计并建立了一个采用微流体冷却的天线装置。洛克希德·马丁公司也与Qorvo一起，进行高性能氮化镓（GaN）热解决方案的合作开发。

DARPA认为ICEcool会将电子系统的热管理进行明显的转变。ICEcool将定义并展示芯片内部特定的热管理方法。这种方法 会将芯片的材料设置、制造流程以及工作的环境条件综合考虑，使得芯片满足设计者的要求。

如果芯片的微流体冷却技术能够成功应用，那么它将有机会挑战摩尔定律。

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