传统上，电子设备和热管理系统是分开设计和制造的，瑞士洛桑埃科尔理工学院的电气工程教授Elison Matioli说。这给提高冷却效率带来了一个根本性的障碍，因为热量必须在多个材料中传播相对较长的距离才能去除。例如，在今天的处理器中，热材料虹吸管将热量从芯片转移到体积庞大的风冷铜散热片上。
为了获得更节能的解决方案，Matioli和他的同事开发了一种低成本的工艺，将微流控冷却通道的3D网络直接放入半导体芯片中。液体比空气更能去除热量，其想法是将冷却液千分尺远离芯片热点。
但与之前报道的微流控冷却技术不同，他说：“我们从一开始就设计电子器件和冷却系统。”因此，微通道就在每个晶体管器件的有源区下方，在那里它的温度最高，这使冷却性能提高了50倍。他们在近日的《自然》杂志上报道了他们的共同设计理念。
研究人员早在1981年就提出了微通道冷却技术，而Cooligy等初创公司也一直在追求处理器的理念。但半导体产业正从平面器件转向三维器件，并朝着多层结构的未来芯片发展，这使得冷却通道变得不切实际。“这种嵌入式冷却解决方案不适用于现代处理器和芯片，如CPU，”Tiwei Wei说，他在比利时的Interuniversity Microelectronics Center和KU Luuven研究电子冷却解决方案。“相反，这种冷却技术对电力电子最有意义，”他说。
电力电子电路管理和转换电能，广泛应用于计算机、数据中心、太阳能电池板和电动汽车等领域。他们使用了大面积分立器件，由宽禁带半导体如氮化镓制成。这些设备的功率密度在过去几年里急剧上升，这意味着它们必须“与一个巨大的散热器挂钩”，Matoli说。
最近，电力电子模块已经转向液体冷却，无论是通过冷板还是微通道冷却系统。但是，迄今为止，所有的微通道冷却系统都是单独制造的，然后与芯片结合。键合层增加了耐热性，通道和电路设备不紧密对齐。
“我们把它提升到了下一个水平，”Matoli说，通过在同一芯片中制造设备和冷却通道。他们在涂覆在硅衬底上的氮化镓层中蚀刻微米宽的裂痕。缝长30μm，深115μm。利用特殊的气体刻蚀技术，它们拓宽硅衬底上的缝隙，形成液体冷却液通过的通道。
然后，研究人员利用铜密封氮化镓层中的微小开口，在上面制造设备。他说：“我们只在晶圆的微小区域有微通道，这些微通道与每一个晶体管都有接触。这使得这项技术更加有效，因为我们可以从附近提取大量的热量，但我们使用的抽水功率非常小。”
作为演示，研究人员制作了一个由四个Schottky二极管组成的交流-直流整流电路，每个二极管可以处理1.2kV的电压，像这样的电路通常需要一个拳头大小的散热器。但是集成了液体冷却系统的电路芯片安装在一块U盘大小的印刷电路板上，电路板由三层组成，上面刻有通道，将冷却液输送到芯片上。
该显示表明，功率密度超过1700瓦/平方厘米的热点，仅使用0.57瓦/平方厘米的泵送功率就可以冷却。与之前报道的微流控通道冷却相比，性能提高了50倍。
Wei说，“氮化镓薄膜和铜密封层的可靠性应该随着时间的推移进行研究。但这种创新的冷却解决方案是朝着“低成本、超紧凑和节能的电力电子冷却系统”迈进的一大步。”
