- 北京大學開發嵌入式冷卻系統，提升晶片散熱效能。
- 系統利用電絕緣液體去除熱量，初步測試顯示臨界熱通量達 1,570 瓦特。
- 研究人員選擇 HFE-7100 作為冷卻劑，設計通道以優化熱傳遞。
- 該技術可與標準半導體工藝整合，需進一步測試以驗證性能。
北京大學的研究人員開發出一種嵌入式冷卻系統，利用電絕緣液體從電子晶片中去除熱量。初步測試顯示，該系統的臨界熱通量達到每平方釐米 1,570 瓦特。設計中將微小的冷卻通道置於晶片基材的加熱區域附近，當液體通過這些通道時，吸收熱量並部分轉化為蒸氣，隨後通過特別配置的出口排出。
集成電路包含相互連接的元件，用於處理資訊或控制電信號。其運作會產生熱量，因此有效的冷卻對於性能及長期穩定運行至關重要。嵌入式冷卻通過直接在支撐電路的材料中雕刻微觀通道來解決這一問題，將冷卻液帶到熱量集中位置，使其能夠吸收並帶走熱量。水具有良好的熱性質，但其潛在的電導性需採取預防措施以保護晶片元件。研究人員魏曉、吳知虎及其同事指出：「嵌入式冷卻——即在晶片基材上直接刻蝕微流體結構，將液體冷卻劑送至熱點附近——可以使用水作為冷卻劑，實現高達 3,000 W cm−2 的熱通量散發。」
嵌入式冷卻技術的原理
該團隊選擇使用 HFE-7100 作為電介冷卻劑，並根據該液體從液體轉變為蒸氣的過程設計系統。研究人員使用廣泛應用於電子製造中的技術製造冷卻結構。在測試晶片的加熱區域附近，除了創建通道外，還設計了一個歧管以分配進入的冷卻液並收集離開通道的液體。這種配置結合了水平進口和垂直出口。新鮮液體以水平方式進入以補充冷卻劑，而垂直通道則有助於蒸氣的排出。HFE-7100 在通道內沸騰時吸收熱量，產生的液體–氣體混合物隨後通過出口排出，帶走能量。
研究人員表示：「增強熱傳遞的核心在於工程化的水平上歧管，其設計具有水平進口以促進液體補充，垂直出口則加速蒸氣排出。」初步測試記錄的臨界熱通量為每平方釐米 1,570 瓦特，這一數值標示了沸騰不再提供有效冷卻的臨界點。這一數字描述的是每單位面積的熱傳遞，而非整個晶片的總熱量去除量。研究人員報告指出，以前的電介冷卻技術通常限制在每平方釐米 1,000 瓦特以下，即使進行了預冷卻和預加壓。
未來應用與挑戰
研究人員指出：「由於我們的方法使用微機電系統技術，可以直接與標準半導體工藝集成並為未來的電子產品進行擴展。」進一步對商業可用設備及長期運行的測試仍然是必要的，以確定性能和可靠性。這些實驗能夠澄清設計在實際電子系統中如何有效處理熱量。電介液體可降低短路風險，儘管其冷卻性能通常較低。該研究發表於《自然電子學》期刊，探討了晶片冷卻中的一個權衡問題：水能有效去除熱量，但溶解的雜質可能使其具有電導性。
新冷卻技術對電子產品的影響
隨著電子設備性能的提升，散熱問題日益突出，嵌入式冷卻系統提供了一種有效解決方案。這項技術不僅能提高熱通量，還能減少短路風險，為未來的電子產品設計帶來潛在的優勢。儘管目前的測試結果顯示出良好的冷卻效能，但在商業應用之前，仍需進一步的長期測試來確保其可靠性和性能，這對於推動未來電子技術的發展至關重要。