IcePak芯片熱設(shè)計(jì)之微尺度液冷

2017-08-28 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

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同尺度的芯片發(fā)熱量的逐漸增大是目前熱設(shè)計(jì)問題愈來愈嚴(yán)峻的直接原因。在新的基礎(chǔ)材料出現(xiàn)之前,芯片性能的提升依然主要依靠內(nèi)部晶體管數(shù)量的提升。

晶體管內(nèi),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(zhuǎn)換為熱量。這樣,在新的計(jì)算機(jī)制或信息物理載體出現(xiàn)之前,芯片功率持續(xù)上升幾乎是一種必然。芯片發(fā)熱量的增加是導(dǎo)致電子散熱問題的關(guān)鍵因素。

摩爾定律預(yù)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(guī)模化引入半導(dǎo)體行業(yè)。當(dāng)前,Intel計(jì)劃的10nm工藝已經(jīng)在研究中,而硅原子,芯片的溫度控制已經(jīng)很大程度上限制了該類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

當(dāng)前,一個(gè)很普遍的現(xiàn)象是,許多電子產(chǎn)品中,打開機(jī)殼可以看到各種尺寸的散熱器。事實(shí)上,無論是導(dǎo)熱界面材料、散熱器還是風(fēng)扇,甚至是當(dāng)前被看好的液冷,但無論外部的熱手段如何設(shè)計(jì),芯片內(nèi)部熱源到芯片外殼的傳熱阻力只能依靠材料自身的導(dǎo)熱系數(shù)來改善。這樣,當(dāng)芯片內(nèi)部熱流密度達(dá)到一定程度后,僅這一層熱阻就可能導(dǎo)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(gè)簡單的計(jì)算公式,當(dāng)熱源與頂殼之間材料熱阻位0.1℃/W時(shí)(相當(dāng)于結(jié)殼熱阻),一個(gè)500W的芯片,僅自身的固有溫升就達(dá)到了50℃。預(yù)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(shè)計(jì)思路如下圖所示:

以常規(guī)的角度看,這種芯片內(nèi)部的微尺度流動散熱方案似乎很夢幻,這一散熱方案的項(xiàng)目名稱被稱為ICECool (Intra/Interchip Enhanced Cooling).。美國國防部高級研究計(jì)劃局并不是想簡單提出一個(gè)過渡性的散熱解決方案,而是想最大程度發(fā)揮目前的科技可能性。
這種方案最大的特色在于,移熱介質(zhì)直接貫穿到芯片發(fā)熱間隙中,其可以方便地與芯片表面散熱方案結(jié)合起來,相當(dāng)于一個(gè)當(dāng)前普通液冷設(shè)計(jì)中將冷頭與芯片封裝深度結(jié)合到一起的方案。顯然,這種結(jié)合絕不只是結(jié)構(gòu)上的簡單改動,冷頭內(nèi)部導(dǎo)流溝槽的設(shè)計(jì),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(shè)計(jì)復(fù)雜的內(nèi)部溝槽流道,使得移熱介質(zhì)能夠進(jìn)入微尺度槽道內(nèi),進(jìn)而帶走芯片的熱耗。

在微尺度條件下,熱量的傳遞強(qiáng)化需要遵循與常規(guī)尺度下不同的特性原則。

可以預(yù)見,如果這種散熱方案最終成行,熱設(shè)計(jì)在整個(gè)芯片設(shè)計(jì)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(dāng)前高功耗密度芯片的散熱問題。第一階段的實(shí)驗(yàn)證實(shí),這種散熱解決方案,在1KW/cm2的熱流密度下(多個(gè)局部熱點(diǎn)區(qū)域熱流密度為30kw/cm2),其熱阻僅為目前常規(guī)散熱手段的四分之一。第二階段的測試將其應(yīng)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(shí),熱設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化,對于提高芯片的工作性能已經(jīng)有了很大必要。良好的熱設(shè)計(jì)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(shù)非常有信心,其已經(jīng)設(shè)計(jì)并建立了一個(gè)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(jìn)行高性能氮化鎵(GaN)熱解決方案的合作開發(fā)。

DARPA認(rèn)為ICEcool會將電子系統(tǒng)的熱管理進(jìn)行明顯的轉(zhuǎn)變。ICEcool將定義并展示芯片內(nèi)部特定的熱管理方法。這種方法會將芯片的材料設(shè)置、制造流程以及工作的環(huán)境條件綜合考慮,使得芯片滿足設(shè)計(jì)者的要求。?

如果芯片的微流體冷卻技術(shù)能夠成功應(yīng)用,那么它將有機(jī)會挑戰(zhàn)摩爾定律。

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