Seit der Einführung der integrierten Halbleiterschaltung in den späten 1950er Jahren hat sie sich rasant in Richtung kleiner Größe, hoher Geschwindigkeit und hoher Speicherkapazität entwickelt. Unter Anleitung des Mooreschen Gesetzes wird die Strukturgröße siliziumbasierter Chips kontinuierlich reduziert und die Anzahl der Transistoren kontinuierlich erhöht. Im Jahr 2020 erreichte TSMC in der Massenproduktion die minimale Chip-Feature-Größe von 5 nm und im Jahr 2022 integrierte Apples M1 Ultra-Chip 114 Milliarden Transistoren. Abbildung 1 zeigt die Anzahl der Transistoren in einem Chip von 1970 bis 2022.
Bei der Entwicklung integrierter Schaltkreise wurde lange Zeit das Mooresche Gesetz in Übereinstimmung mit dem Skalierungsgesetz von Dennard entwickelt. In jeder Technologiegeneration verdoppelt sich die Transistordichte und der Transistorstromverbrauch pro Flächeneinheit bleibt konstant. Somit bleibt die Leistungsdichte des Chips konstant. Allerdings hat sich das Skalierungsgesetz von Dennard seit 2007 erheblich verlangsamt. Etwa im Jahr 2012 kam es zu einem Beinahe-Ausfall. Da die Gate-Länge von Transistoren in fortgeschrittenen Herstellungsprozessen immer kleiner wird, wird das Leckagephänomen immer schwerwiegender, was dazu führt, dass der Chip bei der Herstellung kleinerer Technologien den Stromverbrauch nicht verringert, sondern erhöht. Dies bringt ernsthafte Probleme bei der Wärmeableitung mit sich. Abbildung 2 zeigt den Entwicklungstrend der Chip-Taktfrequenz und des thermischen Leistungswerts im Zeitverlauf. Mit der Reduzierung der Prozessknoten und der Erhöhung der Taktfrequenz steigt die thermische Designleistung des Chips.
Die Wärmeableitung ist entscheidend für die Leistung und Zuverlässigkeit des Chips. Wenn die Wärme nicht effektiv abgeführt werden kann, steigt die Chiptemperatur weiter an, was zu einem Anstieg des Leckstroms des Geräts führt. Die Schwellenspannung sinkt, was sich auf die Chipleistung auswirkt. Mit steigender Temperatur steigt die Ausfallrate elektronischer Komponenten und Geräte exponentiell. Die Stabilität und Zuverlässigkeit elektronischer Geräte wird stark von der Temperatur beeinflusst. Daher hängen Durchbrüche bei leistungsstarken elektronischen Systemen zunehmend von der Fähigkeit ab, überschüssige Wärme sicher abzuleiten. Insbesondere in Anwendungen wie Servern, Rechenzentren und Superrechenzentren, die das ganze Jahr über kontinuierlich arbeiten, ist die Wärmeableitung von Chips zunehmend erforderlich.
Derzeit verwenden Hochleistungsverarbeitungschips im Allgemeinen die Gehäuseform Flip Chip (FC). Seine Struktur ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Wärmeableitungspfad unter dem Chip verläuft durch Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit wie Bodenfüller und Platten. Der untere Teil des Chips weist einen hohen Wärmewiderstand auf, und der Chip ist zur Wärmeableitung hauptsächlich auf den oberen Teil der Struktur angewiesen. Im Wärmeableitungspfad über dem Chip gibt es drei Hauptwärmewiderstände, darunter den Wärmeleitungswiderstand vom Transistor zur Hülle, den Wärmeleitungswiderstand von der Hülle zur Kühlkörperoberfläche sowie den Kühlkörper und den Konvektionswärmeübertragungswiderstand der äußeren Umgebung. Darüber hinaus erfordert die Montage von Gehäuse und Kühlkörper Thermal Interface Material (TIM), um den Wärmeleitungspfad zwischen rauen Oberflächen zu verbessern. Daher wird ein thermischer Widerstand mit mehreren Schnittstellen eingeführt.
Das früheste versenkte Läuferdesign geht auf Arbeiten von DB Tuckerman und RFW Pease aus dem Jahr 1981 zurück. Um den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten zu erhöhen, reduzierten sie die Kanalbreite auf 50 µm, korrodierten die Siliziumrille mit spezifischer Kristallorientierung mit KOH und bildeten mithilfe des Quarzglas-Anoden-Bonding-Verfahrens einen geschlossenen Kanal. Die Mikrokanalstruktur ist in Abbildung 4 dargestellt. Bei einer Durchflussrate von 600 ml/min und einem Druckabfall von 216 kPa wurde entionisiertes Wasser als Kühlmittel verwendet, um den Chip mit einer Fläche von 1×1 cm2 zu kühlen. Der maximale Wärmestrom der Wärmequelle beträgt 790 W/cm2. Der Wärmewiderstand beträgt etwa 0,1 K·cm 2 /W.
Aufgrund der einfachen Struktur von Durchgangskanälen wurde der frühe eingebettete mikrofluidische Kühlkörper an parallelen Durchgangskanälen untersucht. Das Optimierungsschema umfasst theoretische Näherungsanalysen, Multiparameter-Scans, Suchalgorithmen usw. Einige Wissenschaftler untersuchten auch den Unterschied zwischen den Strömungs- und Wärmeeigenschaften von Mikrofluidik und herkömmlichen Flüssigkeiten und legten damit eine theoretische Grundlage für die anschließende Analyse der Wärmeableitung von Mikrofluidik.
Seitdem haben Wissenschaftler eine Vielzahl diskontinuierlicher Rippenstrukturen für die Kühlung eingebetteter Mikroflüssigkeiten vorgeschlagen, darunter geneigte Rippen, Mikrosäulenrippen, dreieckige Rippen usw. sowie einige spezielle Rippenstrukturen, einschließlich wellenförmiger Mikrokanäle, Piranha-Rippen usw.
Darüber hinaus erfordern großflächige Chips größere Strömungen, um den gleichen Temperaturanstieg aufrechtzuerhalten, wie in Abbildung 5 dargestellt. Mit zunehmender Fläche des Wärmequellenchips nimmt der maximale Wärmewiderstand zu. Wenn die Wärmequellenfläche 1 cm2 beträgt, beträgt der Grenzwärmestrom 200 W/cm2, und wenn die Wärmequellenfläche auf 4 cm2 vergrößert wird, sinkt der Grenzwärmestrom auf 100 W/cm2. Da die Chipfläche zunimmt, ist der Spoiler keine nachhaltige thermische Designlösung.
Aufgrund der langen Fließstrecke des Fluids im Gleichstromkanal ist der Strömungswiderstand im Allgemeinen größer, insbesondere nach der Hinzufügung anderer verbesserter Wärmeübertragungsstrukturen, was zu einer weiteren Erhöhung des Strömungswiderstands führt. Darüber hinaus kann die Wärmeableitungskapazität des geraden Kanals aufgrund der niedrigen durchschnittlichen Nusselt-Zahl und des offensichtlichen Temperaturanstiegs der Flüssigkeit nur etwa 400 W/cm2 erreichen.
Um die optimale Wärmeableitungsleistung zu erzielen, führten nachfolgende Wissenschaftler zahlreiche Untersuchungen und Analysen zu den Schlüsseldimensionen der Mikrosäulenstruktur durch, einschließlich Form, Radius, Position, Anzahl und anderen Parametern der Mikrosäule, um die Wärmeableitungsleistung des Chips zu optimieren.
Berücksichtigt werden zwei Mängel des herkömmlichen Durchgangs: großer Druckabfall und erheblicher Temperaturanstieg entlang der Strömungsrichtung. Um den durch die Erwärmung des Kühlmediums verursachten Wärmewiderstand zu verringern, ist es notwendig, die Durchflussmenge zu erhöhen. Der Durchfluss kann durch eine Erhöhung der Anzahl paralleler Kanäle und eine Verkürzung der Durchflusslänge erhöht werden, ohne dass der Druckabfall zunimmt.
Einige Wissenschaftler haben einen ultradünnen Kühler vorgeschlagen, der in Kombination mit dem Kühlmodus von Strahl und Verteilerkanal eine effiziente Kühlung realisieren kann, wie in Abbildung 6 dargestellt. Der 2×2 cm 2 große Kühler wird simuliert und optimiert. Die Ergebnisse zeigen, dass bei einer Durchflussrate von weniger als 1 l/min der Gesamtdruckabfall weniger als 100 kPa beträgt, der gesamte Wärmewiderstand 0,087 K·cm 2 /W beträgt und die maximale Kühlleistung 750 W/cm erreicht 2. Der Unterschied zwischen Eintrittstemperatur und Chiptemperatur beträgt 65 K.
Im Jahr 2022 schlug eine Forschungsgruppe der Universität Peking ein Doppel-H-Shunt-Verteilerkanaldesign vor. Eingebettete mikrofluidische Kühlchips wurden durch ein Silizium-Silizium-Direktbondingverfahren hergestellt. Die Kanalstruktur ist in Abbildung 7 dargestellt. Chips wurden durch einen Silizium-Silizium-Direktbondprozess hergestellt. Die Kanalstruktur ist in Abbildung 7 dargestellt. In einem 2 x 2 cm großen 2 Wärmequellenbereich wurde unter Verwendung von entionisiertem Wasser als Kühlarbeitsmedium eine effektive Kühlung von 417 W unter den Bedingungen eines Druckabfalls von 35 kPa und eines Durchflusses von 612 ml/min erreicht. Der durchschnittliche Temperaturanstieg des Chips beträgt nur 22,2 K. Sie schlugen ein Halbrippenmodell zur Untersuchung der Wärmeübertragung in Verteilerkanälen mit niedrigem Tiefen-Seiten-Verhältnis vor und ermittelten die Rippeneffizienz und die durchschnittliche Nusselt-Zahl, was eine Grundlage für die anschließende Optimierung der Kanalstruktur lieferte. Der Verteilerkanal sowie der Einlass und Auslass der Struktur befinden sich im Bereich des Wärmequellenchips, wodurch ein kompaktes Kühlschema realisiert werden kann und sich besser für die eingebettete Kühlung eines großflächigen Chips eignet.
Der gerade Durchgang hat die einfachste Struktur und weniger Parameter für das Optimierungsdesign. Daher wurde in der frühen Phase der Entwicklung der eingebetteten Mikrofluidkühlung eine relativ vollständige Studie durchgeführt. Insbesondere im Hinblick auf die Optimierung der Kanalstrukturparameter kann die Kühlleistung unter bestimmten Bedingungen optimiert werden. Die Rippenstruktur im geraden Durchgang ist getrennt und in verschiedene Formen gestaltet, um die Funktion der Spoiler-Mikrosäule zu realisieren. Aufgrund der Beschädigung der stabilen Entwicklung der Flüssigkeitsgrenzschicht wird die kinetische Energie der Flüssigkeit verbraucht, sodass der Flüssigkeitsdruckabfall in der Struktur groß ist. Beide Kanalstrukturen haben den Nachteil eines großen Temperaturanstiegs entlang der Strömungsrichtung, insbesondere bei großflächigen Hochleistungschips ist die Gleichmäßigkeit der Chiptemperatur schlecht.
Obwohl die Fluidstruktur den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten effektiv verbessern kann, ist es schwierig, die Wärmeübertragungsfläche zu erweitern, wenn sie für die Kühlung eingebetteter Chips verwendet wird. Um eine gleichmäßigere Kühlung zu erreichen, ist eine dichte Düsen-/Rückgewinnungsstruktur erforderlich. Aufgrund der Einschränkungen des Herstellungsprozesses und der Zuverlässigkeit gibt es nur wenige Untersuchungen zur Strahlstruktur bei eingebetteter Kühlung.
Durch die Einführung eines Verteilerkanals wird die Segmentierung des eingebetteten Mikrokanals realisiert und die äquivalente Fließlänge der Flüssigkeit sichergestellt. Daher werden der Pumpendruckabfall und die Pumpenleistung reduziert und das Verhältnis der Kühlenergieeffizienz verbessert. Der Verteilerkanal kann in der eingebetteten mikrofluidischen Kühltechnologie verwendet werden, die untrennbar mit der Entwicklung der siliziumbasierten MEMS-Verarbeitungstechnologie verbunden ist. Die Mikrokanalstruktur vom Verteilertyp überwindet die Nachteile eines großen Strömungswiderstands und eines großen Temperaturanstiegs entlang der Strömungsrichtung bei der Mikrokanalkühlung, sodass sie mehr Anwendungsaussichten bietet und umfassender untersucht wurde.
Das typische eingebettete Das Mikrofluid-Kühlsystem besteht aus einer eingebetteten Pumpe Kühlkörper und Wärmetauscher. Dabei stellt die Pumpe die für die Zirkulation des kühlenden Arbeitsmediums erforderliche Energie bereit und der eingebettete Kühlkörper realisiert den Wärmeaustausch von der Wärmequelle zum kühlenden Arbeitsmedium. Im Vergleich dazu sorgt der Wärmetauscher für die Kühlung des Kühlmediums und sorgt für eine zuverlässige Zirkulation des Systems. Die eingebettete mikrofluidische Kühlung verwendet die gleichen Pumpen und Wärmetauscher wie die herkömmliche Flüssigkeitskühlung.
Im Hinblick auf die Wärmeübertragung gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Leistung der Wärmeübertragung im Kanal zu verbessern, einschließlich der Änderung der Oberflächenrauheit, der Zerstörung der stabilen Entwicklung der Flüssigkeit, der Sekundärströmung, der Vibration usw. Allerdings sind einige der Strukturen schwierig für die eingebettete Siliziumkühlung zu verwenden, wie z. B. wellenförmige Mikrorillen und andere Massensiliziumverarbeitungstechnologien, die es schwierig machen, die Struktur zu erreichen. Daher kann es nicht in der eingebetteten Kühltechnologie verwendet werden.
Bei der in diesem Artikel vorgestellten eingebetteten Mikrofluid-Kühltechnologie wird eine thermische Widerstandsheizung verwendet, um die Wärmeerzeugung von IC-Chips zu simulieren. Um eingebettete mikrofluidische Kühltechnologie in tatsächlichen IC-Chips nutzen zu können, ist es notwendig, eingebettete Mikrokanalstrukturen in IC-Chips vorzubereiten. Obwohl die eingebettete mikrofluidische Kühlung eine bessere Leistung erbringt als die nicht eingebettete Kühlung. Derzeit gibt es keine kommerzielle eingebettete Flüssigkeitskühlungslösung, da die eingebettete Kühlverarbeitungs- und Verpackungstechnologie von IC-Chips immer noch einige Kompatibilitäts- und Zuverlässigkeitsprobleme aufweist.
Aufgrund der Verschmutzungsempfindlichkeit der Chipherstellung akzeptieren Chipgießereien den MEMS-Prozess nicht, um Wärmeableitungskanäle vorzubereiten und anschließend Geräteschaltkreise wiederaufzubereiten. Bisher besteht die gesamte integrierte Kühltechnologie für IC-Chips darin, den Kühlkörper nach der Chipverarbeitung vorzubereiten. Entsprechend der Prozesskompatibilität sollte die IC-Kompatibilität von Temperatur und Materialien im Prozess der Sekundärverarbeitung berücksichtigt werden. Daher können Hochtemperaturprozesse und IC-empfindliche Materialien nicht verwendet werden.
Im Vergleich zu herkömmlichen ICs ist das Problem des Wärmemanagements bei 3D-ICs mit hoher Dichte schwerwiegender. Die Hauptgründe sind der starke ungleichmäßige Stromverbrauch im 3D-Raum und in der Zeit und die daraus resultierende starke lokale Überhitzung. Die geringe Wärmeleitfähigkeit dielektrischer Schichtmaterialien erhöht den Wärmewiderstand zwischen den Schichten von 3D-integrierten Mikrosystemen. Der äquivalente Wärmewiderstand von Hot Spot zu Hot Sink erhöht sich erheblich, wenn die Kühlung nicht wesentlich verbessert wird. Das Problem des Wärmemanagements bei integrierten 3D-Schaltkreisen ist schwerwiegender als bei herkömmlichen integrierten 2D- oder 2,5D-Schaltkreisen.
Viele Simulationen bieten Anleitungen und Vorschläge zur Verbesserung der Zuverlässigkeit eingebetteter mikrofluidischer Kühlung für bestimmte Kanalstrukturen. Die Korrelation aller Arbeiten ist jedoch nicht stark, sodass es derzeit keine systematische Methode zur Zuverlässigkeitsplanung gibt.
Eingebettete Kühltechnologie ist eine Art Kühltechnologie , die Kühlmedium in das Chipsubstrat einführt. Es wird seit mehreren Jahrzehnten erforscht. Im Vergleich zur herkömmlichen Fernkühlungstechnologie kann die eingebettete Kühlung den Wärmeleitfähigkeitswiderstand effektiv reduzieren, den thermischen Schnittstellenwiderstand vermeiden und die Kühlleistung verbessern. Obwohl das Kanaldesign und das Verpackungsschema im Laufe der Jahre wiederholt und aktualisiert wurden. Es gab auch Demonstrationen in echten Chips, die die Kühlleistung der Technologie demonstrierten. Die eingebettete Mikrofluid-Kühltechnologie wurde jedoch noch nicht kommerzialisiert. Zusätzlich zu den Herstellungskostenfaktoren, die in diesem Artikel nicht analysiert werden, behindern auch die Zuverlässigkeit des Prozesses und des Nutzungsprozesses die praktische Anwendung der eingebetteten Kühlung. Daher ist die Fernkühlung derzeit sowohl im kommerziellen als auch im militärischen Bereich immer noch die primäre Lösung.
Die eingebettete Kühlung weist ein höheres Energieeffizienzverhältnis auf, obwohl einige Studien zur nicht eingebetteten Kühlung Leistungs- oder Leistungsdichtewerte erreicht haben, die mit der eingebetteten Kühlung vergleichbar sind. Daher besteht die Entwicklungsrichtung der Flüssigkeitskühlungstechnologie darin, die Kühlstruktur näher an den Wärmequellenbereich zu bringen. In Zukunft ist die 3D-Packaging-Architektur ein wirksames Mittel zur Verbesserung der Transistorintegration. Zusätzlich zu den Leistungsproblemen des Systems muss auch die Zwischenschichtkühlung des Chips bewältigt werden. Daher ist es notwendig, ein kollaboratives Designschema für die eingebettete Mikrofluidkühlung vorzuschlagen, das mit Miniaturisierung und hochdichter Verpackung kompatibel ist, um die Verarbeitungskosten zu optimieren und die Zuverlässigkeit der eingebetteten Mikrofluidkühlungstechnologie zu verbessern. Dies wird die zentrale Forschungsrichtung der Zukunft sein.
