嵌入芯片内部的新型微通道绝缘冷却技术

2020-03-14

普渡大学研究人员完成了一项DARPA资助下的冷却技术研究,该研究主要面对DARPA的要求——新型冷却技术能够应对每平方厘米产生一千瓦热量的芯片,解决方案是直接在芯片硅衬底上刻蚀出微通道,并利用特殊“分级”歧管,向微通道中均匀注入HFE-7100电绝缘液体冷却剂,该技术未来有望可用于高性能雷达和超级计算机的散热。

最近,普渡大学研究人员完成了一项DARPA资助下的冷却技术研究。该研究主要面对DARPA的要求——新型冷却技术能够应对每平方厘米产生一千瓦热量的芯片,这一指标比常规高性能计算机高出10倍以上,据有关报道,该项目组已实现了这一目标。


常规的芯片冷却方法使采用散热器金属板,将其连接在芯片顶部引出热量实现散热。因此当多芯片堆叠时,底部芯片产生的热量就无法有效排除,只能牺牲功率运行;无法排除的热量甚至还会损坏芯片内部电路。普渡大学提出的系统可以很好地解决这一问题。


该系统结构为分层式多通道微通道散热器阵列,可实现极高的传热速率。具体来说,是直接在芯片硅衬底上刻蚀出宽度15微米、深度300微米的微通道,并利用特殊分级歧管,向微通道中均匀注入液体冷却剂。因此,液体冷却剂直接嵌入芯片堆栈内,直接参与芯片热流循环,芯片工作时,液体冷却剂以沸腾形式带走热量,实现冷却。该系统采用了HFE-7100商业冷却剂,为电绝缘流体,不会在电子设备中引起短路。当流体在热源上循环时,它在微通道内部沸腾。与液体加热到沸点以下相比,让液体沸腾大大增加了传递的热量。此外,在芯片衬底刻蚀微通道的方式,既可减少由于接触和导电电阻引起的寄生热阻,还将芯片表面分割成具有高纵横比微通道的多个较小的散热元件,确保液体冷却剂的有效流动长度。


这种嵌入芯片内部的新型冷却系统,为解决三维堆叠芯片散热难题提供了一种全新技术方案,未来有望可用于高性能雷达和超级计算机的散热。

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