來(lái)源：北京大學(xué)集成電路學(xué)院

隨著GaN為代表的新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料的廣泛應(yīng)用，功率器件的性能大幅度提高。然而受限于器件熱管理性能，目前GaN功率器件僅能發(fā)揮其理論性能的20%~30%。嵌入式微流體冷卻技術(shù)將微流體集成在器件內(nèi)部，避免了近乎所有的外部熱阻，利用流體的直接對(duì)流換熱完成熱量的高效運(yùn)輸，因而具有強(qiáng)大的散熱能力，被認(rèn)為是未來(lái)最有可能突破熱管理瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，實(shí)際電子器件的器件結(jié)構(gòu)多為兩層以上的復(fù)合結(jié)構(gòu)，發(fā)熱模式也呈現(xiàn)出多尺寸趨勢(shì)，這對(duì)于散熱器的設(shè)計(jì)與制備提出了很大的挑戰(zhàn)，在熱設(shè)計(jì)時(shí)需要系統(tǒng)分析實(shí)際器件散熱路徑中的熱阻構(gòu)成，降低關(guān)鍵熱阻。

圖1可變尺寸發(fā)熱陣列電鏡圖

針對(duì)這一關(guān)鍵問(wèn)題，北京大學(xué)集成電路學(xué)院、微米納米加工技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、集成電路高精尖創(chuàng)新中心王瑋教授團(tuán)隊(duì)提出了一種雙“H”歧管型嵌入式微通道散熱方案，同時(shí)在該微通道散熱器上集成了尺度可調(diào)的發(fā)熱陣列，在不同工作模式下測(cè)試了微通道散熱器對(duì)于不同尺寸熱源的散熱性能。

經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，該微通道散熱器針對(duì)500 × 500 μm2熱源的散熱熱流密度達(dá)到1200 W/cm2以上，平均溫升小于60℃，對(duì)流換熱系數(shù)達(dá)到1.5×105W/(m2?K)。此外，該工作還基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建了熱流耦合仿真與理論模型，系統(tǒng)總結(jié)了在多場(chǎng)景下電子器件典型結(jié)構(gòu)中的熱匯熱阻、一維傳導(dǎo)熱阻和擴(kuò)散熱阻的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在基底尺寸固定的情況下，熱點(diǎn)的尺寸從小到大的變化會(huì)導(dǎo)致器件中的主要熱阻從擴(kuò)散熱阻轉(zhuǎn)變至熱匯熱阻，因此針對(duì)點(diǎn)熱源和面熱源需要根據(jù)其主要熱阻的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)采用不同的散熱手段。

圖2器件熱阻與熱源大小、熱匯對(duì)流傳熱系數(shù)及介電層熱導(dǎo)率的關(guān)系

該研究進(jìn)一步深入探索了不同尺寸熱源熱管理的關(guān)鍵手段，當(dāng)熱源為點(diǎn)熱源形式時(shí)（如高電子遷移率晶體管（HEMT）），主要熱阻為擴(kuò)散熱阻，此時(shí)在熱源近結(jié)區(qū)集成高導(dǎo)熱材料是降低熱阻的重要方式。在特定熱點(diǎn)尺寸下，近結(jié)集成諸如單晶金剛石等高導(dǎo)熱材料，較于氧化硅等低導(dǎo)熱材料，總熱阻可以降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)熱源為面熱源形式時(shí)（如高性能AI計(jì)算芯片），主要熱阻為熱匯熱阻，此時(shí)增強(qiáng)器件基底的對(duì)流換熱能力是提升該類器件散熱性能的重要方式，如通過(guò)優(yōu)化微通道結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)熱匯換熱能力可以有效降低此類器件的熱阻。該工作通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算解析了典型電子器件中的熱阻構(gòu)成并提出了相應(yīng)的解決辦法，為下一代具有復(fù)雜發(fā)熱模式的芯片與集成芯片系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)帶來(lái)新的理解和思路。

相關(guān)成果以“Optimization of embedded cooling for hotspots based on compound plate thermal spreading model”發(fā)表在傳熱學(xué)頂刊《國(guó)際傳熱傳質(zhì)》(International Journal of Heat and Mass Transfer)上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125866

北京大學(xué)集成電路學(xué)院2022級(jí)博士生杜建宇為文章的第一作者，北京大學(xué)集成電路學(xué)院張馳助理研究員、中國(guó)電科第二十六研究所余懷強(qiáng)研究員為通訊作者，該研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金的支持。這也是王瑋教授團(tuán)隊(duì)圍繞先進(jìn)封裝領(lǐng)域熱管理方向在《國(guó)際傳熱傳質(zhì)》期刊上連續(xù)發(fā)表的第5篇文章。王瑋教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力先進(jìn)封裝中熱管理技術(shù)的研究，從仿真、實(shí)驗(yàn)、理論方面進(jìn)行了一系列卓有成效的探索。團(tuán)隊(duì)在高密度封裝體內(nèi)的快速熱仿真技術(shù)、嵌入式微流體冷卻技術(shù)、多孔薄膜兩相冷卻技術(shù)上的研究成果連續(xù)多年在傳熱學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《國(guó)際傳熱傳質(zhì)》、電子元器件封裝領(lǐng)域頂級(jí)國(guó)際會(huì)議IEEE Electronic Components and Technology Conference （ECTC）上發(fā)表，并取得多項(xiàng)國(guó)際先進(jìn)散熱指標(biāo)——多芯片散熱模組（散熱功率>3kW，溫升<100℃，IEEEiTherm 2022），單芯片散熱（散熱功率>1kW，溫升<60℃，IEEEECTC 2024）等。

審核編輯 黃宇