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電子芯片是前沿科技、國計民生和國家安全的基礎保障。隨著高性能計算、人工智能、電力電子和通信雷達等芯片的集成度和功率不斷提高，其發熱密度也不斷攀升，部分芯片平均熱流密度可高達千瓦每平方厘米（kW/cm²）級別，局部熱流密度則更高。發熱問題不僅會導致器件性能衰退、可靠性降低、壽命縮短，同時也帶來顯著的能耗挑戰，比如數據中心的耗電量占全球電力超過1%，其中約40%用于熱管理。
傳統的封裝以及風冷與冷板等技術受限于對流換熱系數低、材料熱導率低、界面熱阻高等諸多因素，難以滿足下一代芯片的散熱需求。近年來，嵌入式微流冷卻備受關注，該技術通過在芯片背部基底刻蝕和集成微通道，將冷卻液直接輸送至芯片結區熱點附近，從而根本性地縮短熱傳導路徑。然而，盡管已經不斷逼近“零傳導熱阻”的理想狀態，芯片尺度冷卻熱流密度仍難以超過2000W/cm²。進一步強化對流換熱雖然可以提升冷卻性能，但往往也會大幅增加驅動流體所需的能耗。未來芯片如何高效冷卻，是國內外公認亟需解決的重大難題。
近日，北京大學力學與工程科學學院能源與資源工程系宋柏研究員團隊以“Jet-enhanced manifold microchannel for cooling electronics up to a heat flux of 3000 W/cm²”為題，于Nature Electronics期刊發表論文，創新性地提出“歧管-微射流-鋸齒微通道”復合嵌入式微流結構，使用單相水作為冷卻液，實現了3000W/cm²的超高熱流密度芯片冷卻，同時將單位面積冷卻功耗降低至0.9W/cm²——相當于每消耗1份電量就可以帶走超過3000份熱量。
該設計基于硅基微機電系統（MEMS）標準工藝，直接在硅襯底背面刻蝕集成三層微流結構（圖1）：頂部為變截面歧管層，交錯進出口設計通過縮短冷卻液在微通道內的流動距離將總體壓降控制在極低水平；中間為微射流層，通過射流沖擊微通道底部，抑制流動與熱邊界層，提升局部對流換熱；底層構建鋸齒微通道網絡，有效緩解射流入口阻塞，并進一步增加對流換熱面積、破壞流動及換熱邊界層，從而減小流阻與熱阻（圖2）。團隊共測試了四種芯片變體，包括直通道（JMC, jet-enhanced manifold microchannel）和鋸齒通道（sJMC, JMC with sawtooth wall），以及25微米和50微米兩種典型通道寬度。
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圖1 微射流增強的嵌入式岐管微通道冷卻芯片
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圖2 微通道與電學器件層設計
實驗結果顯示該冷卻技術性能優異：在120毫升每分鐘的流量下，25微米寬通道的芯片熱阻低至0.036Kcm²/W（圖3）；鋸齒側壁顯著降低壓降（例如，50微米寬通道下壓降從76.9kPa降至66.4kPa），并維持或略優于直通道的冷卻性能。在極限性能測試中，冷卻超過1000W/cm²的熱流時該方案性能系數（COP）高達13,000，此時芯片最大溫升僅為65度。在3000W/cm²的極限工況下，芯片最大溫升控制在130度，同時壓降低于50kPa（圖4）。
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圖3 基礎流動換熱性能表征與比較
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圖4 極限冷卻性能測試及對比
該微射流增強的嵌入式岐管微通道冷卻技術為電力電子和射頻雷達等超高熱流密度芯片的熱管理提供了新思路、新方法、新器件，可同時顯著提升冷卻性能和能效，且無需依賴超高熱導率基底和高性能熱界面材料。更為關鍵的是，該技術采用標準硅基MEMS工藝制造，與現有集成電路產線兼容，在考慮產業化潛力的前提下，推動了芯片冷卻技術極限散熱能力的探索。
論文通訊作者為宋柏，同時得到了北京大學集成電路學院王瑋教授的全力幫助。第一作者為宋柏課題組畢業生吳志鵠博士（現為香港理工大學博士后），參與作者還包括博士生肖維和畢業生何海宇博士。
相關工作獲得科技部國家重點研發計劃、教育部青年教師科研創新能力支持項目、國家自然科學基金、新基石科學基金會“科學探索獎”、北京大學微米納米加工技術全國重點實驗室、北京大學分子材料與納米加工實驗室，以及北京大學高性能計算平臺的大力支持。
北京大學在芯片高效冷卻領域長期耕耘，具備完善的基礎研究平臺和多學科交叉融合的研究氛圍。通過探索多物理、多物相、跨尺度的熱量輸運機制和芯片協同設計，推動大功率信息處理、射頻和電力電子等芯片的發展，對我國信息和能源技術的變革以及“雙碳”目標的實現具有重要意義。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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