IcePak芯片熱設計之微尺度液冷

2017-08-28 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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同尺度的芯片發熱量的逐漸增大是目前熱設計問題愈來愈嚴峻的直接原因。在新的基礎材料出現之前,芯片性能的提升依然主要依靠內部晶體管數量的提升。

晶體管內,電子的移動形成電流,而電子移動過程中不可避免地會受到阻滯,這種阻滯將轉換為熱量。這樣,在新的計算機制或信息物理載體出現之前,芯片功率持續上升幾乎是一種必然。芯片發熱量的增加是導致電子散熱問題的關鍵因素。

摩爾定律預見了晶體管可以做到非常密集,但非常密集并不意味著無限密集。前幾年炒作的硅光子科技也并未規模化引入半導體行業。當前,Intel計劃的10nm工藝已經在研究中,而硅原子,芯片的溫度控制已經很大程度上限制了該類產品的設計。

當前,一個很普遍的現象是,許多電子產品中,打開機殼可以看到各種尺寸的散熱器。事實上,無論是導熱界面材料、散熱器還是風扇,甚至是當前被看好的液冷,但無論外部的熱手段如何設計,芯片內部熱源到芯片外殼的傳熱阻力只能依靠材料自身的導熱系數來改善。這樣,當芯片內部熱流密度達到一定程度后,僅這一層熱阻就可能導致芯片熱失效。如果維持原有的策略,那么所有的散熱手段都將無法解決芯片的散熱問題。

一個簡單的計算公式,當熱源與頂殼之間材料熱阻位0.1℃/W時(相當于結殼熱阻),一個500W的芯片,僅自身的固有溫升就達到了50℃。預見到這種問題,美國Defense Advanced Research Projects Agency提出了一種微尺度流動散熱方法,其設計思路如下圖所示:

以常規的角度看,這種芯片內部的微尺度流動散熱方案似乎很夢幻,這一散熱方案的項目名稱被稱為ICECool (Intra/Interchip Enhanced Cooling).。美國國防部高級研究計劃局并不是想簡單提出一個過渡性的散熱解決方案,而是想最大程度發揮目前的科技可能性。
這種方案最大的特色在于,移熱介質直接貫穿到芯片發熱間隙中,其可以方便地與芯片表面散熱方案結合起來,相當于一個當前普通液冷設計中將冷頭與芯片封裝深度結合到一起的方案。顯然,這種結合絕不只是結構上的簡單改動,冷頭內部導流溝槽的設計,需要充分參考器件管腳的分布。器件集成度越來越高,勢必需要設計復雜的內部溝槽流道,使得移熱介質能夠進入微尺度槽道內,進而帶走芯片的熱耗。

在微尺度條件下,熱量的傳遞強化需要遵循與常規尺度下不同的特性原則。

可以預見,如果這種散熱方案最終成行,熱設計在整個芯片設計中的角色與工作量將大大提升。
DARPA宣稱,這種散熱方案可以卓有成效地解決當前高功耗密度芯片的散熱問題。第一階段的實驗證實,這種散熱解決方案,在1KW/cm2的熱流密度下(多個局部熱點區域熱流密度為30kw/cm2),其熱阻僅為目前常規散熱手段的四分之一。第二階段的測試將其應用到射頻放大器上,其輸出功率相對之前的散熱方案提高了六倍。這很大程度上證實,熱設計方案的優化,對于提高芯片的工作性能已經有了很大必要。良好的熱設計方案,可大大提高芯片的可靠性。

洛克希德·馬丁公司對這種技術非常有信心,其已經設計并建立了一個采用微流體冷卻的天線裝置。洛克希德·馬丁公司也與Qorvo一起,進行高性能氮化鎵(GaN)熱解決方案的合作開發。

DARPA認為ICEcool會將電子系統的熱管理進行明顯的轉變。ICEcool將定義并展示芯片內部特定的熱管理方法。這種方法會將芯片的材料設置、制造流程以及工作的環境條件綜合考慮,使得芯片滿足設計者的要求。?

如果芯片的微流體冷卻技術能夠成功應用,那么它將有機會挑戰摩爾定律。

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