شريحة معالجة كبيرة الحجم مدمجة بتقنية التبريد بالسوائل الدقيقة

منذ ظهور الدائرة المتكاملة لأشباه الموصلات في أواخر الخمسينيات من القرن العشرين، تطورت بسرعة في اتجاه الحجم الصغير والسرعة العالية والذاكرة العالية. وبتوجيه من قانون مور، يتم تقليل حجم ميزة الرقائق القائمة على السيليكون بشكل مستمر ويزداد عدد الترانزستورات باستمرار. في عام 2020، حققت TSMC الحد الأدنى لحجم ميزة الشريحة وهو 5 نانومتر في الإنتاج الضخم، وفي عام 2022، قامت شريحة M1 Ultra من Apple بدمج 114 مليار ترانزستور. يوضح الشكل 1 عدد الترانزستورات في الشريحة من عام 1970 إلى عام 2022.

لفترة طويلة في تطوير الدوائر المتكاملة، تم تطوير قانون مور وفقًا لقانون دينارد للقياس. في كل جيل من التكنولوجيا، تتضاعف كثافة الترانزستور ويظل استهلاك طاقة الترانزستور لكل وحدة مساحة ثابتًا. وبالتالي، تظل كثافة طاقة الشريحة ثابتة. ومع ذلك، فقد تباطأ قانون Dennard للتحجيم بشكل كبير منذ عام 2007. وكاد أن يفشل في عام 2012 تقريبًا. نظرًا لأن طول بوابة الترانزستور يصبح أصغر فأصغر في عملية التصنيع المتقدمة، فإن ظاهرة التسرب تصبح أكثر خطورة، مما يجعل الشريحة في إنتاج تكنولوجيا أصغر، لا يقل استهلاك الطاقة بل يزداد. وهذا يجلب مشاكل خطيرة في تبديد الحرارة. يوضح الشكل 2 اتجاه تطور تردد ساعة الشريحة وقيمة طاقة التصميم الحراري بمرور الوقت. مع تقليل عقد العملية وزيادة تردد الساعة، تتزايد قوة التصميم الحراري للرقاقة.

يعد تبديد الحرارة أمرًا بالغ الأهمية لأداء الرقاقة وموثوقيتها. إذا لم يكن من الممكن تبديد الحرارة بشكل فعال، فستستمر درجة حرارة الشريحة في الارتفاع، مما يؤدي إلى زيادة تيار التسرب بالجهاز. ينخفض ​​جهد العتبة، مما يؤثر على أداء الشريحة. مع زيادة درجة الحرارة، يزيد معدل فشل المكونات والمعدات الإلكترونية بشكل كبير. يتأثر استقرار الأجهزة الإلكترونية وموثوقيتها بشدة بدرجة الحرارة، لذا فإن التقدم في الأنظمة الإلكترونية عالية الأداء يعتمد بشكل متزايد على القدرة على تبديد الحرارة الزائدة بأمان. على وجه الخصوص، هناك حاجة متزايدة لتبديد حرارة الرقائق في تطبيقات مثل الخوادم ومراكز البيانات ومراكز الحوسبة الفائقة التي تعمل بشكل مستمر طوال العام.

في الوقت الحاضر، تستخدم رقائق المعالجة عالية الأداء بشكل عام نموذج حزمة Flip Chip (FC). يظهر هيكلها في الشكل 3. يمر مسار تبديد الحرارة أسفل الشريحة عبر مواد منخفضة التوصيل الحراري مثل الحشوات السفلية والألواح. يتمتع الجزء السفلي من الشريحة بمقاومة حرارية عالية، وتعتمد الشريحة بشكل أساسي على الجزء العلوي من الهيكل لتبديد الحرارة. هناك ثلاث مقاومة حرارية رئيسية في مسار تبديد الحرارة فوق الشريحة، بما في ذلك مقاومة التوصيل الحراري من الترانزستور إلى الغلاف، ومقاومة التوصيل الحراري من الغلاف إلى سطح المشتت الحراري، والمشتت الحراري ومقاومة انتقال الحرارة بالحمل الحراري للبيئة الخارجية. علاوة على ذلك، يتطلب تجميع الغلاف والمشتت الحراري مادة واجهة حرارية (TIM) لتحسين مسار توصيل الحرارة بين الأسطح الخشنة. لذلك، يتم تقديم المقاومة الحرارية للواجهة المتعددة.

ينبع أول تصميم للمجرى الغائر من العمل الذي قام به DB Tuckerman وRFW Pease في عام 1981. من أجل زيادة معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري، قاموا بتقليل عرض القناة إلى 50 ميكرومتر، وتآكل أخدود السيليكون مع اتجاه بلوري محدد باستخدام KOH، وشكلوا قناة مغلقة باستخدام عملية ربط الأنود بزجاج السيليكا. يظهر هيكل القناة الصغيرة في الشكل 4. عندما كان معدل التدفق 600 مل / دقيقة وكان انخفاض الضغط 216 كيلو باسكال، تم استخدام الماء منزوع الأيونات كمبرد لتبريد الرقاقة بمساحة 1 × 1 سم. الحد الأقصى لتدفق الحرارة لمصدر الحرارة يصل إلى 790 وات/سم2. تبلغ المقاومة الحرارية حوالي 0.1 ك·سم2 / وات.

نظرًا للبنية البسيطة للقنوات البينية، فقد تمت دراسة المشتت الحراري للموائع الدقيقة المدمج مبكرًا على القنوات البينية المتوازية. يتضمن مخطط التحسين التحليل التقريبي النظري والمسح متعدد المعلمات وخوارزمية البحث وما إلى ذلك. درس بعض العلماء أيضًا الفرق بين التدفق والخصائص الحرارية للموائع الدقيقة والسوائل التقليدية، مما وضع الأساس النظري لتحليل متابعة تبديد الحرارة للموائع الدقيقة.

منذ ذلك الحين، اقترح العلماء مجموعة متنوعة من هياكل الزعانف المتقطعة لتبريد السوائل الدقيقة المدمجة، بما في ذلك الزعانف المائلة، وزعانف العمود الصغير، والزعانف المثلثة، وما إلى ذلك، بالإضافة إلى بعض هياكل الزعانف الخاصة، بما في ذلك القنوات الدقيقة ذات الشكل الموجي، وزعانف سمكة البيرانا، وما إلى ذلك.

بالإضافة إلى ذلك، تتطلب الرقائق ذات المساحة الكبيرة تدفقات أكبر للحفاظ على نفس ارتفاع درجة الحرارة، كما هو موضح في الشكل 5. ومع زيادة مساحة الرقاقة ذات مصدر الحرارة، ستزداد المقاومة الحرارية القصوى. عندما تكون مساحة مصدر الحرارة 1 سم2، يكون التدفق الحراري الحدي 200 وات/سم2، وعندما تزيد مساحة مصدر الحرارة إلى 4 سم2، ينخفض ​​التدفق الحراري الحدي إلى 100 وات/سم2. مع زيادة مساحة الرقاقة، لا يعد المفسد حلاً مستدامًا للتصميم الحراري.

نظرًا لمسافة التدفق الطويلة للسائل في قناة التيار المستمر، تكون مقاومة التدفق أكبر بشكل عام، خاصة بعد إضافة هياكل نقل الحرارة المحسنة الأخرى، مما يؤدي إلى زيادة إضافية في مقاومة التدفق. بالإضافة إلى ذلك، وبسبب انخفاض متوسط ​​رقم نسلت والارتفاع الواضح في درجة حرارة السائل، فإن قدرة تبديد الحرارة للقناة المستقيمة يمكن أن تصل فقط إلى حوالي 400 وات/سم2.

من أجل الحصول على الأداء الأمثل لتبديد الحرارة، أجرى الباحثون اللاحقون الكثير من الأبحاث والتحليلات حول الأبعاد الرئيسية لبنية العمود الصغير، بما في ذلك الشكل ونصف القطر والموضع والرقم والمعلمات الأخرى للعمود الصغير لتحسين أداء تبديد الحرارة للرقاقة.

تم أخذ عيبين في الممر التقليدي في الاعتبار: انخفاض الضغط الكبير وارتفاع درجة الحرارة بشكل كبير على طول اتجاه التدفق. ومن أجل تقليل المقاومة الحرارية الناتجة عن تسخين وسط التبريد، من الضروري زيادة معدل التدفق. يمكن زيادة التدفق عن طريق زيادة عدد القنوات المتوازية وتقصير طول التدفق دون زيادة انخفاض الضغط.

اقترح بعض العلماء مشعاعًا رفيعًا للغاية يمكنه تحقيق تبريد فعال، جنبًا إلى جنب مع وضع التبريد للقناة النفاثة والمتعددة، كما هو موضح في الشكل 6. ² تمت محاكاة المبرد 2 × 2 سم وتحسينه. أظهرت النتائج أنه عندما يكون معدل التدفق أقل من 1 لتر/دقيقة، يكون انخفاض الضغط الكلي أقل من 100 كيلو باسكال، والمقاومة الحرارية الكلية 0.087 ك.سم ² /وات، وقدرة التبريد القصوى تصل إلى 750 وات/سم ². الفرق بين درجة حرارة المدخل ودرجة حرارة الرقاقة هو 65 كلفن.

في عام 2022، اقترحت مجموعة بحثية من جامعة بكين تصميمًا لقناة متعددة التحويلة مزدوجة على شكل حرف H. تم تحضير رقائق تبريد ميكروفلويديك مدمجة بواسطة عملية الترابط المباشر بين السيليكون والسيليكون. يظهر هيكل القناة في الشكل 7. تم تحضير الرقائق بواسطة عملية الترابط المباشر بين السيليكون والسيليكون. يظهر هيكل القناة في الشكل 7. في ² منطقة مصدر الحرارة 2 × 2 سم، باستخدام الماء منزوع الأيونات كوسيط عمل للتبريد، تم تحقيق التبريد الفعال بمقدار 417 واط في ظل ظروف انخفاض الضغط بمقدار 35 كيلو باسكال وتدفق 612 مل / دقيقة. يبلغ متوسط ​​ارتفاع درجة حرارة الشريحة 22.2 كلفن فقط. لقد اقترحوا نموذجًا شبه زعانف لدراسة انتقال الحرارة في القنوات المتعددة ذات نسبة عرض إلى ارتفاع منخفضة للعمق، وكفاءة الزعانف المحلولة ومتوسط ​​رقم نسلت، مما وفر أساسًا للتحسين اللاحق لبنية القناة. توجد القناة المتعددة ومدخل ومخرج الهيكل في منطقة شريحة مصدر الحرارة، والتي يمكن أن تحقق نظام التبريد المدمج، وهي أكثر ملاءمة للتبريد المدمج لرقاقة المساحة الكبيرة.

يحتوي الممر المستقيم على أبسط بنية ومعلمات أقل لتصميم التحسين. لذلك، في المرحلة المبكرة من تطوير تبريد السوائل الدقيقة المدمج، تم إجراء دراسة كاملة نسبيًا. خاصة فيما يتعلق بتحسين معلمة بنية القناة، يمكن تحسين أداء التبريد في ظل ظروف معينة. تم فصل هيكل الزعنفة في الممر المستقيم وتصميمه في أشكال مختلفة لتحقيق وظيفة العمود الصغير للمفسد. بسبب الأضرار التي لحقت بالتطور المستقر للطبقة الحدودية للسوائل، يتم استهلاك الطاقة الحركية للسوائل، وبالتالي يكون انخفاض ضغط السوائل في الهيكل كبيرًا. كلا هيكلي القناة لهما عيب ارتفاع درجة الحرارة بشكل كبير على طول اتجاه التدفق، خاصة في الرقائق عالية الطاقة ذات المساحة الكبيرة، يكون توحيد درجة حرارة الرقاقة ضعيفًا.

على الرغم من أن البنية الموائعية يمكن أن تحسن بشكل فعال معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري، إلا أنه من الصعب توسيع منطقة نقل الحرارة عند استخدامها لتبريد الرقائق المدمجة. لتحقيق تبريد أكثر اتساقًا، يلزم وجود فوهة كثيفة/بنية استرداد. نظرًا لمحدودية عملية التصنيع والموثوقية، هناك القليل من الأبحاث حول هيكل النفاث في التبريد المدمج.

إن إدخال القناة المتعددة يحقق تجزئة القناة الصغيرة المضمنة ويدعم طول التدفق المكافئ للسائل. ولذلك، يتم تقليل انخفاض ضغط المضخة وطاقة المضخة، ويتم تحسين نسبة كفاءة طاقة التبريد. يمكن استخدام القناة المتعددة في تكنولوجيا تبريد الموائع الدقيقة المضمنة، والتي لا يمكن فصلها عن تطوير تكنولوجيا معالجة MEMS القائمة على السيليكون. يتغلب هيكل القناة الصغيرة من النوع المتنوع على مساوئ مقاومة التدفق الكبيرة وارتفاع درجة الحرارة الكبير على طول اتجاه التدفق في تبريد القنوات الصغيرة، لذلك لديه المزيد من آفاق التطبيق وقد تمت دراسته على نطاق أوسع.

النموذجي المضمن يتكون نظام التبريد ميكروفلويد من مضخة مدمجة بالوعة الحرارة ومبادل الحرارة. حيث، توفر المضخة الطاقة اللازمة لتدوير وسط عمل التبريد، ويحقق المشتت الحراري المدمج التبادل الحراري من مصدر الحرارة إلى وسط عمل التبريد. بالمقارنة، يحقق المبادل الحراري تبريد وسط التبريد ويضمن الدوران الموثوق للنظام. يستخدم تبريد الموائع الدقيقة المدمج نفس المضخات والمبادلات الحرارية مثل التبريد السائل التقليدي.

فيما يتعلق بنقل الحرارة، هناك مجموعة متنوعة من الوسائل لتعزيز أداء نقل الحرارة في القناة، بما في ذلك تغيير خشونة السطح، وتدمير التطور المستقر للسائل، والتدفق الثانوي، والاهتزاز وما إلى ذلك. ومع ذلك، يصعب استخدام بعض الهياكل لتبريد السيليكون المدمج، مثل الأخدود الصغير المتموج وغيرها من تكنولوجيا معالجة السيليكون السائبة التي يصعب تحقيق الهيكل. ولذلك، لا يمكن استخدامه في تكنولوجيا التبريد المدمجة.

في تقنية تبريد الموائع الدقيقة المضمنة المقدمة في هذه الورقة، يتم استخدام التسخين بالمقاومة الحرارية لمحاكاة إنتاج الحرارة لرقائق IC. من أجل استخدام تقنية تبريد الموائع الدقيقة المضمنة في شرائح IC الفعلية، من الضروري إعداد هياكل القنوات الدقيقة المضمنة في شرائح IC. على الرغم من أن التبريد الميكروفلويديك المضمن يعمل بشكل أفضل من التبريد غير المضمن. في الوقت الحاضر، لا يوجد حل تبريد سائل تجاري مضمن، لأن تكنولوجيا معالجة التبريد والتعبئة المدمجة لرقائق IC لا تزال تواجه بعض مشاكل التوافق والموثوقية.

بسبب حساسية تصنيع الرقائق للتلوث، لا تقبل مسابك الرقائق عملية MEMS لإعداد قنوات تبديد الحرارة ثم إعادة معالجة دوائر الجهاز. حتى الآن، كل تكنولوجيا التبريد المضمنة لرقاقة IC هي إعداد جهاز المشتت الحراري بعد معالجة الرقاقة. وفقًا لتوافق العملية، يجب مراعاة توافق IC مع درجة الحرارة والمواد في عملية المعالجة الثانوية. لذلك، لا يمكن استخدام عملية درجة الحرارة العالية والمواد الحساسة لـ IC.

بالمقارنة مع IC التقليدي، فإن مشكلة الإدارة الحرارية في IC عالية الكثافة ثلاثية الأبعاد أكثر أهمية. الأسباب الرئيسية هي استهلاك الطاقة القوي غير المنتظم في المكان والزمان ثلاثي الأبعاد وما ينتج عن ذلك من ارتفاع درجة الحرارة المحلي الخطير. تعمل الموصلية الحرارية المنخفضة لمواد الطبقة العازلة على زيادة المقاومة الحرارية للطبقات البينية للأنظمة الدقيقة المتكاملة ثلاثية الأبعاد. وتزداد المقاومة الحرارية المكافئة من النقطة الساخنة إلى الحوض الساخن بشكل كبير عندما لا يتحسن التبريد بشكل ملحوظ. تعد مشكلة الإدارة الحرارية للدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد أكثر خطورة من مشكلة الدوائر المتكاملة التقليدية ثنائية الأبعاد أو ثنائية ونصف الأبعاد.

توفر العديد من عمليات المحاكاة إرشادات واقتراحات لتحسين موثوقية تبريد الموائع الدقيقة المدمج لهياكل قنوات محددة. ومع ذلك، فإن الارتباط بين جميع الأعمال ليس قويًا، لذلك لا توجد طريقة تصميم موثوقية منهجية في الوقت الحاضر.

تكنولوجيا التبريد المدمجة هي نوع من تقنية التبريد التي تقدم وسط التبريد إلى ركيزة الرقاقة. لقد تم بحثه لعدة عقود. بالمقارنة مع تقنية التبريد عن بعد التقليدية، يمكن للتبريد المدمج أن يقلل بشكل فعال من مقاومة التوصيل الحراري، وتجنب المقاومة الحرارية للواجهة، وتحسين أداء التبريد. على الرغم من أن تصميم القناة ومخطط التعبئة والتغليف قد تم تكراره وتحديثه على مر السنين. كانت هناك أيضًا عروض توضيحية في شرائح حقيقية توضح أداء التبريد لهذه التقنية. ومع ذلك، فإن تكنولوجيا التبريد بالسوائل الدقيقة المدمجة لم يتم تسويقها بعد. بالإضافة إلى عوامل تكلفة التصنيع التي لم يتم تحليلها في هذه الورقة، فإن موثوقية العملية وعملية الاستخدام تعيق أيضًا التطبيق العملي للتبريد المدمج. لذا، في الوقت الحالي، لا يزال التبريد عن بعد هو الحل الأساسي في كل من القطاعين التجاري والعسكري.

يتمتع التبريد المضمن بنسبة كفاءة طاقة أعلى، على الرغم من أن بعض دراسات التبريد غير المضمنة قد حققت قيم طاقة أو كثافة طاقة مماثلة للتبريد المضمن. ولذلك، فإن اتجاه تطوير تكنولوجيا التبريد السائل هو ضبط هيكل التبريد بالقرب من منطقة مصدر الحرارة. في المستقبل، تعد بنية التغليف ثلاثية الأبعاد وسيلة فعالة لتحسين تكامل الترانزستور. بالإضافة إلى مشاكل الطاقة في النظام، يجب أيضًا التغلب على تبريد الطبقة البينية للرقاقة. لذلك، من الضروري اقتراح مخطط تصميم تعاوني لتبريد السوائل الدقيقة المضمنة والمتوافق مع التصغير والتعبئة عالية الكثافة لتحسين تكلفة المعالجة وتحسين موثوقية تكنولوجيا تبريد السوائل الدقيقة المدمجة. سيكون هذا هو الاتجاه الرئيسي للبحث في المستقبل.