電子設(shè)備廣泛應用于日常生活中，從計算機到充電器、空調(diào)到混合動力電動汽車，甚至衛(wèi)星等。對效率更高、功率更小的電子設(shè)備的需求的增加，意味著這些設(shè)備單位體積轉(zhuǎn)換的功率量的急劇增加。這反過來又增加了設(shè)備單位面積產(chǎn)生的熱量。這種方式產(chǎn)生的熱量正成為一個大問題:美國的數(shù)據(jù)中心為冷卻其計算機技術(shù)而消耗的能源和水，與費城（美國第五大城市）消耗的能源和水一樣多。因此，熱管理是電子設(shè)備面臨的主要挑戰(zhàn)之一。其中，將液體冷卻直接嵌入到芯片內(nèi)部是一種很高效的方法，然而，最先進的微流體冷卻系統(tǒng)在設(shè)計和構(gòu)造上都是與電子芯片分開的，這使得液體通道無法集成到電路中，在熱點地區(qū)提供直接冷卻。這種集成大大增加了芯片制造的復雜性，同時會增加成本。
近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的Elison?Matioli課題組提出了一種單片集成型流形微通道（monolithically integrated manifold microchannel,?mMMC）的策略，通過在同一半導體基底上共同設(shè)計微流體和電子元件，制備了一種帶有集成的微流體冷卻系統(tǒng)的電子設(shè)備，在抽運功率（pumping power）僅為0.57?瓦特每平方厘米（W?cm-2）時，能夠冷卻高達1.7 千瓦每平方厘米的熱通量（heat flux），超過了所有當前已報道的冷卻系統(tǒng)。在超過1 千瓦每平方厘米的熱通量下，作者觀察到了超過10 000的制冷性能系數(shù)（coefficient of performance, COP）。比直接的微通道提高了50倍，努塞爾數(shù)（Nusselt number）達到了16。這項冷卻技術(shù)將使電子產(chǎn)品進一步小型化，有可能延續(xù)摩爾定律，并大大降低電子產(chǎn)品冷卻的能耗。此外，通過消除對大型外部散熱片的需要，這種方法使得在單個芯片上集成功率轉(zhuǎn)換器成為了可能。該研究以題為“Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling”的論文發(fā)表在最新一期的《Nature》上。
【芯片-冷卻一體化結(jié)構(gòu)圖示】
作者將嵌入式流形微通道（embedded manifold microchannels, EMMC）與芯片集成到一個裸片（die）上，設(shè)計制備了一種單片集成型流形微通道（mMMC）結(jié)構(gòu)（圖1a）。這些微通道直接埋在了芯片下方，使得冷卻劑能夠直接在熱源下面流動。該結(jié)構(gòu)的制備過程主要為以下三個步驟：（1）在涂有半導體氮化鎵（GaN）層的硅基底上蝕刻狹窄的縫隙；縫隙的深度決定了微通道的深度。接下來，用一種稱為各向同性氣體蝕刻的工藝在硅基底中的縫隙的寬度進行拓寬，直至理想的微通道的寬度。這一過程也將各較短微通道連接成長的微通道系統(tǒng)。最后，用銅將微通道頂端處GaN層的開口封住。然后在氮化鎵層中制造電子器件。
在冷卻實驗中，作者以去離子水作為冷卻劑。與傳統(tǒng)的直線平行微通道（straight, parallel microchannels, SPMC）相比，mMMC結(jié)構(gòu)在表面溫度和入口溫度之間的總熱阻Rtotal更低，接近了水冷卻的極限?？偀嶙鑂total可以分為與冷卻劑比熱容相關(guān)的Rheat，與微通道中的對流傳熱有關(guān)的Rconv以及與傳熱有關(guān)的Rcond。圖2b顯示微通道的尺寸對Rconv影響很大。
然而，微通道越窄，實現(xiàn)相同冷卻劑流量的所需的壓力就越大。在流量為0.5 ml s-1時，微通道寬度為100、50以及25 μm的SPMC結(jié)構(gòu)所需的壓力分別為160、260以及810 mbar。而mMMC結(jié)構(gòu)減小了通過微通道的流道長度，從而大大降低了所需壓力（圖2c）。
這意味著mMMC結(jié)構(gòu)在降低抽運功率的情況下能夠達到更低的熱阻。與其他微通道散熱技術(shù)相比，mMMC技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。在780 W cm-2的熱通量下，mMMC結(jié)構(gòu)的冷卻性能是傳統(tǒng)SPMC結(jié)構(gòu)的50倍，展示了在節(jié)能冷卻方面的巨大潛力（圖2f）。
【芯片-冷卻一體化結(jié)構(gòu)的冷卻性能】
【基于芯片-冷卻一體化結(jié)構(gòu)的交流-直流轉(zhuǎn)換器冷卻性能】
?作者還將這種mMMC結(jié)構(gòu)應用到了交流-直流電流轉(zhuǎn)換器中。實驗顯示在抽運功率僅為0.57 W cm-2時，能夠冷卻高達1.7 kW cm-2的熱通量。此外，由于消除了自熱引起的性能衰減，這種mMMC結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器比其他沒有冷卻系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率更高（圖3f,g）。
總結(jié)：作者通過在同一半導體基底上共同設(shè)計微流體和電子元件，制備了一種帶有集成的微流體冷卻系統(tǒng)的mMMC結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備，在抽運功率僅為0.57 W cm-2時，能夠冷卻高達1.7 kW cm-2的熱通量，超過了所有當前已報道的冷卻系統(tǒng)。這項冷卻技術(shù)將使電子產(chǎn)品進一步小型化，有可能擴展摩爾定律，并大大降低電子產(chǎn)品冷卻的能耗。此外，通過消除對大型外部散熱片的需要，這種方法使得在單個芯片上集成功率轉(zhuǎn)換器成為了可能。
