Desde que surgió el circuito integrado semiconductor a finales de la década de 1950, se ha ido desarrollando rápidamente hacia un tamaño pequeño, alta velocidad y alta memoria. Bajo la guía de la Ley de Moore, el tamaño de las características de los chips basados en silicio se reduce continuamente y el número de transistores aumenta constantemente. En 2020, TSMC alcanzó el tamaño mínimo de característica de chip de 5 nm en producción en masa, y en 2022, el chip M1 Ultra de Apple integró 114 mil millones de transistores. La Figura 1 muestra la cantidad de transistores en un chip desde 1970 hasta 2022.
Durante mucho tiempo en el desarrollo de los circuitos integrados, la Ley de Moore se desarrolló de acuerdo con la ley de escala de Dennard. En cada generación de tecnología, la densidad de los transistores se duplica y el consumo de energía de los transistores por unidad de área permanece constante. Por tanto, la densidad de potencia del chip permanece constante. Sin embargo, la ley de escala de Dennard se ha ralentizado considerablemente desde 2007. Casi falla alrededor de 2012. Debido a que la longitud de la puerta del transistor es cada vez más pequeña en el proceso de fabricación avanzado, el fenómeno de fuga se está volviendo cada vez más grave, lo que hace que el chip en la producción de tecnología más pequeña, el consumo de energía no se reduzca sino que aumente. Esto trae serios problemas de disipación de calor. La Figura 2 muestra la tendencia de desarrollo de la frecuencia del reloj del chip y el valor de potencia de diseño térmico a lo largo del tiempo. Con la reducción de los nodos de proceso y el aumento de la frecuencia del reloj, la potencia de diseño térmico del chip aumenta.
La disipación de calor es fundamental para el rendimiento y la confiabilidad del chip. Si el calor no se puede disipar eficazmente, la temperatura del chip seguirá aumentando, lo que provocará un aumento de la corriente de fuga del dispositivo. El voltaje umbral disminuye, lo que afecta el rendimiento del chip. Con el aumento de la temperatura, la tasa de fallas de los componentes y equipos electrónicos aumenta exponencialmente. La estabilidad y confiabilidad de los dispositivos electrónicos se ven fuertemente afectadas por la temperatura, por lo que los avances en los sistemas electrónicos de alto rendimiento dependen cada vez más de la capacidad de disipar de manera segura el exceso de calor. En particular, la disipación de calor de los chips es cada vez más necesaria en aplicaciones como servidores, centros de datos y centros de supercomputación que funcionan de forma continua durante todo el año.
En la actualidad, los chips de procesamiento de alto rendimiento generalmente utilizan el formato de paquete Flip Chip (FC). Su estructura se muestra en la Figura 3. La ruta de disipación de calor debajo del chip pasa a través de materiales de baja conductividad térmica, como placas y rellenos inferiores. La parte inferior del chip tiene una alta resistencia térmica y el chip depende principalmente de la parte superior de la estructura para la disipación de calor. Hay tres resistencias térmicas principales en la ruta de disipación de calor sobre el chip, incluida la resistencia a la conducción de calor desde el transistor a la carcasa, la resistencia a la conducción de calor desde la carcasa a la superficie del disipador de calor y la resistencia al disipador de calor y la transferencia de calor por convección del entorno externo. Además, el ensamblaje de la carcasa y el disipador de calor requiere material de interfaz térmica (TIM) para mejorar la ruta de conducción del calor entre superficies rugosas. Por lo tanto, se introduce la resistencia térmica de múltiples interfaces.
El primer diseño de canal empotrado surge del trabajo realizado por DB Tuckerman y RFW Pease en 1981. Para aumentar el coeficiente de transferencia de calor por convección, redujeron el ancho del canal a 50 µm, corroyeron la ranura de silicio con una orientación específica del cristal con KOH y formaron un canal cerrado utilizando el proceso de unión de ánodo de vidrio de sílice. La estructura del microcanal se muestra en la Figura 4. Cuando el caudal fue de 600 ml/min y la caída de presión fue de 216 kPa, se usó agua desionizada como refrigerante para enfriar el chip con un área de 1 x 1 cm2. El flujo de calor máximo de la fuente de calor alcanza los 790 W/cm2. La resistencia térmica es de aproximadamente 0,1 K·cm 2 /W.
Debido a la estructura simple de los canales pasantes, los primeros disipadores de calor de microfluidos integrados se estudiaron en canales pasantes paralelos. El esquema de optimización incluye análisis teórico aproximado, escaneo multiparamétrico, algoritmo de búsqueda, etc. Algunos académicos también estudiaron la diferencia entre el flujo y las características térmicas de los microfluidos y los fluidos convencionales, lo que sentó una base teórica para el análisis posterior de la disipación de calor de los microfluidos.
Desde entonces, los académicos han propuesto una variedad de estructuras de aletas discontinuas para el enfriamiento de microfluidos integrados, incluidas aletas inclinadas, aletas de microcolumnas, aletas triangulares, etc., así como algunas estructuras de aletas especiales, incluidos microcanales de forma de onda, aletas de piraña, etc.
Además, los chips de área grande requieren flujos mayores para mantener el mismo aumento de temperatura, como se muestra en la Figura 5. A medida que aumenta el área del chip de la fuente de calor, aumentará la resistencia térmica máxima. Cuando el área de la fuente de calor es 1 cm2, el flujo de calor límite es 200 W/cm2, y cuando el área de la fuente de calor aumenta a 4 cm2, el flujo de calor límite disminuye a 100 W/cm2. A medida que aumenta el área del chip, el spoiler no es una solución de diseño térmico sostenible.
Debido a la larga distancia de flujo del fluido en el canal de CC, la resistencia al flujo es generalmente mayor, especialmente después de la adición de otras estructuras mejoradas de transferencia de calor, lo que resulta en un aumento adicional de la resistencia al flujo. Además, debido al bajo número de Nusselt medio y al evidente aumento de temperatura del fluido, la capacidad de disipación de calor del canal recto sólo puede alcanzar unos 400 W/cm2.
Para obtener el rendimiento óptimo de disipación de calor, los académicos posteriores llevaron a cabo muchas investigaciones y análisis sobre las dimensiones clave de la estructura de la microcolumna, incluida la forma, el radio, la posición, el número y otros parámetros de la microcolumna para optimizar el rendimiento de disipación de calor del chip.
Se consideran dos defectos del paso convencional: una gran caída de presión y un aumento significativo de temperatura a lo largo de la dirección del flujo. Para reducir la resistencia térmica causada por el calentamiento del medio refrigerante, es necesario aumentar el caudal. El flujo se puede aumentar aumentando el número de canales paralelos y acortando la longitud del flujo sin aumentar la caída de presión.
Algunos estudiosos han propuesto un radiador ultradelgado que puede lograr una refrigeración eficiente, combinado con el modo de refrigeración de chorro y canal colector, como se muestra en la Figura 6. El 2 radiador de 2 × 2 cm está simulado y optimizado. Los resultados muestran que cuando el caudal es inferior a 1 L/min, la caída de presión total es inferior a 100 kPa, la resistencia térmica total es de 0,087 K·cm 2 /W y la capacidad máxima de refrigeración alcanza los 750 W/cm 2. La diferencia entre la temperatura de entrada y la temperatura del chip es de 65 K.
En 2022, un grupo de investigación de la Universidad de Pekín propuso un diseño de canal múltiple con doble derivación en H. Los chips de enfriamiento de microfluidos integrados se prepararon mediante un proceso de unión directa de silicio a silicio. La estructura del canal se muestra en la Figura 7. Los chips se prepararon mediante un proceso de unión directa silicio-silicio. La estructura del canal se muestra en la Figura 7. En un 2 área de fuente de calor de 2 x 2 cm, utilizando agua desionizada como medio de trabajo de enfriamiento, se logró un enfriamiento efectivo de 417 W en condiciones de caída de presión de 35 kPa y flujo de 612 ml/min. El aumento medio de temperatura del chip es de sólo 22,2K. Propusieron un modelo de semialeta para estudiar la transferencia de calor en canales múltiples con una relación de aspecto de profundidad baja, y resolvieron la eficiencia de las aletas y el número de Nusselt promedio, lo que proporcionó una base para la posterior optimización de la estructura del canal. El canal colector y la entrada y salida de la estructura están ubicados en el área del chip de la fuente de calor, lo que puede realizar el esquema de enfriamiento compacto y es más adecuado para el enfriamiento integrado de chips de área grande.
El pasaje recto tiene la estructura más simple y menos parámetros para el diseño de optimización. Por lo tanto, en la etapa inicial del desarrollo del enfriamiento de microfluidos integrado, se llevó a cabo un estudio relativamente completo. Especialmente en el aspecto de optimización de los parámetros de la estructura del canal, el rendimiento de refrigeración se puede optimizar bajo ciertas condiciones. La estructura de aletas en el pasaje recto está desconectada y diseñada en diferentes formas para realizar la función de la microcolumna del spoiler. Debido al daño al desarrollo estable de la capa límite del fluido, la energía cinética del fluido se consume, por lo que la caída de presión del fluido en la estructura es grande. Ambas estructuras de canales tienen la desventaja de un gran aumento de temperatura a lo largo de la dirección del flujo, especialmente en chips de alta potencia y áreas grandes, la uniformidad de la temperatura de los chips es pobre.
Aunque la estructura fluídica puede mejorar eficazmente el coeficiente de transferencia de calor por convección, es difícil ampliar el área de transferencia de calor cuando se utiliza para enfriar chips integrados. Para lograr un enfriamiento más uniforme, se requiere una estructura densa de boquilla/recuperación. Debido a las limitaciones del proceso de fabricación y la confiabilidad, existen pocas investigaciones sobre la estructura del chorro en el enfriamiento integrado.
La introducción del canal múltiple realiza la segmentación del microcanal integrado y apuntala la longitud de flujo equivalente de fluido. Por lo tanto, se reducen la caída de presión y la potencia de la bomba y se mejora la relación de eficiencia energética de refrigeración. El canal múltiple se puede utilizar en la tecnología de enfriamiento de microfluidos integrada, que es inseparable del desarrollo de la tecnología de procesamiento MEMS basada en silicio. La estructura de microcanales tipo colector supera las desventajas de una gran resistencia al flujo y un gran aumento de temperatura a lo largo de la dirección del flujo en el enfriamiento de microcanales, por lo que tiene más perspectivas de aplicación y se ha estudiado más ampliamente.
El típico empotrado El sistema de enfriamiento de microfluidos consta de una bomba integrada. Disipador de calor e intercambiador de calor. En donde, la bomba proporciona la energía necesaria para la circulación del medio de trabajo de enfriamiento y el disipador de calor incorporado realiza el intercambio de calor desde la fuente de calor al medio de trabajo de enfriamiento. Comparativamente, el intercambiador de calor realiza el enfriamiento del medio refrigerante y garantiza la circulación confiable del sistema. La refrigeración por microfluidos integrada utiliza las mismas bombas e intercambiadores de calor que la refrigeración líquida convencional.
En términos de transferencia de calor, existen diversos medios para mejorar el rendimiento de la transferencia de calor en el canal, incluido el cambio de la rugosidad de la superficie, la destrucción del desarrollo estable del fluido, el flujo secundario, la vibración, etc. Sin embargo, algunas de las estructuras son difíciles de usar para el enfriamiento de silicio integrado, como las microranuras onduladas y otras tecnologías de procesamiento de silicio a granel que son difíciles de lograr en la estructura. Por lo tanto, no se puede utilizar en tecnología de refrigeración integrada.
En la tecnología de enfriamiento de microfluidos integrada presentada en este artículo, se utiliza calentamiento por resistencia térmica para simular la producción de calor de chips de circuitos integrados. Para utilizar la tecnología de enfriamiento de microfluidos integrada en chips IC reales, es necesario preparar estructuras de microcanales integradas en chips IC. Aunque el enfriamiento de microfluidos integrado funciona mejor que el enfriamiento no integrado. En la actualidad, no existe una solución comercial de refrigeración líquida integrada, porque la tecnología de procesamiento y empaquetado de refrigeración integrada de los chips CI todavía tiene algunos problemas de compatibilidad y confiabilidad.
Debido a la sensibilidad a la contaminación de la fabricación de chips, las fundiciones de chips no aceptan el proceso MEMS para preparar canales de disipación de calor y luego reprocesar los circuitos del dispositivo. Hasta ahora, toda la tecnología de enfriamiento integrada del chip IC consiste en preparar el dispositivo disipador de calor después del procesamiento del chip. De acuerdo con la compatibilidad del proceso, se debe considerar la compatibilidad IC de la temperatura y los materiales en el proceso de procesamiento secundario. Por lo tanto, no se pueden utilizar procesos de alta temperatura ni materiales sensibles a IC.
En comparación con los circuitos integrados tradicionales, el problema de gestión térmica en los circuitos integrados de alta densidad 3D es más importante. Las razones principales son el fuerte consumo de energía no uniforme en el espacio y el tiempo 3D y el grave sobrecalentamiento local resultante. La baja conductividad térmica de los materiales de las capas dieléctricas aumenta la resistencia térmica entre capas de los microsistemas integrados 3D. La resistencia térmica equivalente desde el punto caliente hasta el disipador caliente aumenta considerablemente cuando la refrigeración no mejora significativamente. El problema de gestión térmica de los circuitos integrados 3D es más grave que el de los circuitos integrados 2D o 2,5D tradicionales.
Muchas simulaciones brindan orientación y sugerencias para mejorar la confiabilidad del enfriamiento de microfluidos integrado para estructuras de canales específicas. Sin embargo, la correlación de todo el trabajo no es fuerte, por lo que actualmente no existe un método de diseño de confiabilidad sistemático.
La tecnología de refrigeración integrada es una especie de Tecnología de enfriamiento que introduce un medio de enfriamiento en el sustrato del chip. Ha sido investigado durante varias décadas. En comparación con la tecnología de refrigeración remota tradicional, la refrigeración integrada puede reducir eficazmente la resistencia a la conductividad térmica, evitar la resistencia térmica de la interfaz y mejorar el rendimiento de la refrigeración. Aunque el diseño del canal y el esquema de presentación se han iterado y actualizado a lo largo de los años. También ha habido demostraciones en chips reales que demuestran el rendimiento de refrigeración de la tecnología. Sin embargo, la tecnología de enfriamiento de microfluidos integrada aún no se ha comercializado. Además de los factores de costos de fabricación que no se analizan en este documento, la confiabilidad del proceso y el proceso de uso también dificultan la aplicación práctica de la refrigeración integrada. Por ahora, la refrigeración remota sigue siendo la solución principal tanto en el sector comercial como en el militar.
La refrigeración integrada tiene un índice de eficiencia energética más alta, aunque algunos estudios de refrigeración no integrada han logrado valores de potencia o densidad de potencia comparables a los de la refrigeración integrada. Por lo tanto, la dirección del desarrollo de la tecnología de refrigeración líquida es colocar la estructura de refrigeración más cerca del área de la fuente de calor. En el futuro, la arquitectura de empaquetado 3D será una forma eficaz de mejorar la integración de transistores. Además de los problemas de potencia del sistema, también hay que superar la refrigeración entre capas del chip. Por lo tanto, es necesario proponer un esquema de diseño colaborativo de enfriamiento de microfluidos integrado que sea compatible con la miniaturización y el empaque de alta densidad para optimizar el costo de procesamiento y mejorar la confiabilidad de la tecnología de enfriamiento de microfluidos integrado. Esta será la dirección clave de la investigación en el futuro.
