近年來，研究人員開始探索將液體冷卻模塊直接嵌入芯片內部，以實現更加高效的制冷效果的新技術，但這一技術仍未解決電子設備和冷卻系統分開處理的困境，從而無法發揮嵌入式冷卻系統的全部節能潛力。

9 月 9 日，來自瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）電氣工程研究所功率和寬帶隙電子研究實驗室（POWERlab）的 Elison Matioli 教授及其博士生 Remco Van Erp 等研究人員，在 Nature 上發表了一項最新研究成果，在芯片冷卻技術方面實現了新的突破。

研究人員使用微流體電子協同設計方案，在同一半導體的襯底內將微流體和電子元器件進行協同設計，生產出一個單片集成的歧管微通道冷卻結構，可以有效地管理晶體管產生的大熱通量。

研究結果表明，該冷卻結構僅使用 0.57 瓦/平方厘米的泵送功率，就可以輸送超過 1.7 千瓦/平方厘米的熱通量，其冷卻效果超出當前所使用的結構的效果。

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據統計，在一個傳統數據中心的總能耗中，制冷系統用于冷卻散熱的能耗占比達 30% 至 40% 。數據中心目前采用的冷卻技術主要包括冷凍水、泵送制冷劑、遏制通道、行和機架級空氣、液體冷卻等方式，需要消耗大量的能源和水資源。

Elison Matioli 教授團隊致力于從觀念上真正實現改變電子設備的設計，在設計之初就開始通過構思電子設備與冷卻結構的整體設計，目的是將設備中散熱最大的區域附近的熱量散發出去。

Van Erp 表示：“ 我們希望結合電氣和機械工程方面的技術，制造出一種新型設備。”

微流體電子協同設計

隨著電子產品的集成度越來越高，不斷縮小的半導體器件在擁有更小、 更輕、更便攜等優勢的同時，也產生了更高的熱通量，為冷卻技術帶來新的挑戰。

與傳統的半導體相比，氮化鎵（GaN）之類的寬帶隙半導體可實現更小的壓鑄模，以及功率器件的單片集成，從而可以支持將完整的功率轉換器小型化為單個芯片，因此被研究人員當作解決這一問題的候選者。

先前大量的研究工作都聚焦在如何改善散熱區和冷卻劑之間的熱路徑上，但排熱能力從根本上受限于半導體的模具和封裝之間存在的熱阻。此外，由于電子設備不能密集封裝，不僅需要依賴更大的散熱器，而且會降低設備功率密度并阻礙半導體集成。

Elison Matioli 帶領的研究團隊希望解決如何冷卻電子設備（尤其是晶體管）的問題。Elison Matioli 說：“ 管理這些設備產生的熱量將是未來電子產品面臨的最大挑戰之一，最大限度地減少能源消耗對環境的影響變得越來越重要，因此我們需要在冷卻技術方面實現創新，以可持續、低成本、高效益的方式，有效地處理芯片產生的大量熱通量。”

于是，研究人員開始探索使用冷卻劑與設備直接接觸的方式，來實現更高的冷卻性能。歧管式微通道（MMC）熱沉憑借熱阻小、結構緊湊、冷卻液流量小、流速低、沿著流動方向溫度分布均勻等優點，成為備選方案。

研究人員提出了在具有外延層的單晶硅襯底上設計的單片集成的多歧管微通道（mMMC）散熱器，無需繁瑣的鍵合步驟即可生產。此處，器件的設計和散熱器的制造是在同一過程中結合在一起，冷卻通道直接嵌入在芯片的有效區域下方。因此，冷卻劑可以直接撞擊熱源，提供局部和有效的散熱。

研究結果表明，這種將冷卻作為設備整體結構的一個組成部分的設計，可以將冷卻性能提高幾個數量級。

“我們將微流體通道放置在非常靠近晶體管散熱點的位置，并采用簡單的集成制造工藝，實現在正確的位置提取熱量，并防止熱量散布到整個器件中 。” Matioli 說。

高冷卻性能