- 北京大学开发嵌入式冷却系统，提升芯片散热效能。
- 系统利用电绝缘液体去除热量，初步测试显示临界热通量达 1,570 瓦特。
- 研究人员选择 HFE-7100 作为冷却剂，设计通道以优化热传递。
- 该技术可与标准半导体工艺整合，需进一步测试以验证性能。
北京大学的研究人员开发出一种嵌入式冷却系统，利用电绝缘液体从电子芯片中去除热量。初步测试显示，该系统的临界热通量达到每平方厘米 1,570 瓦特。设计中将微小的冷却通道置于芯片基材的加热区域附近，当液体通过这些通道时，吸收热量并部分转化为蒸气，随后通过特别配置的出口排出。
集成电路包含相互连接的元件，用于处理信息或控制电信号。其运作会产生热量，因此有效的冷却对于性能及长期稳定运行至关重要。嵌入式冷却通过直接在支撑电路的材料中雕刻微观通道来解决这一问题，将冷却液带到热量集中位置，使其能够吸收并带走热量。水具有良好的热性质，但其潜在的电导性需采取预防措施以保护芯片元件。研究人员魏晓、吴知虎及其同事指出：“嵌入式冷却——即在芯片基材上直接刻蚀微流体结构，将液体冷却剂送至热点附近——可以使用水作为冷却剂，实现高达 3,000 W cm−2 的热通量散发。”
嵌入式冷却技术的原理
该团队选择使用 HFE-7100 作为电介冷却剂，并根据该液体从液体转变为蒸气的过程设计系统。研究人员使用广泛应用于电子制造中的技术制造冷却结构。在测试芯片的加热区域附近，除了创建通道外，还设计了一个歧管以分配进入的冷却液并收集离开通道的液体。这种配置结合了水平进口和垂直出口。新鲜液体以水平方式进入以补充冷却剂，而垂直通道则有助于蒸气的排出。HFE-7100 在通道内沸腾时吸收热量，产生的液体–气体混合物随后通过出口排出，带走能量。
研究人员表示：“增强热传递的核心在于工程化的水平上歧管，其设计具有水平进口以促进液体补充，垂直出口则加速蒸气排出。”初步测试记录的临界热通量为每平方厘米 1,570 瓦特，这一数值标示了沸腾不再提供有效冷却的临界点。这一数字描述的是每单位面积的热传递，而非整个芯片的总热量去除量。研究人员报告指出，以前的电介冷却技术通常限制在每平方厘米 1,000 瓦特以下，即使进行了预冷却和预加压。
未来应用与挑战
研究人员指出：“由于我们的方法使用微机电系统技术，可以直接与标准半导体工艺集成并为未来的电子产品进行扩展。”进一步对商业可用设备及长期运行的测试仍然是必要的，以确定性能和可靠性。这些实验能够澄清设计在实际电子系统中如何有效处理热量。电介液体可降低短路风险，尽管其冷却性能通常较低。该研究发表于《自然电子学》期刊，探讨了芯片冷却中的一个权衡问题：水能有效去除热量，但溶解的杂质可能使其具有电导性。
新冷却技术对电子产品的影响
随着电子设备性能的提升，散热问题日益突出，嵌入式冷却系统提供了一种有效解决方案。这项技术不仅能提高热通量，还能减少短路风险，为未来的电子产品设计带来潜在的优势。尽管目前的测试结果显示出良好的冷却效能，但在商业应用之前，仍需进一步的长期测试来确保其可靠性和性能，这对于推动未来电子技术的发展至关重要。