大面積処理チップ組み込みマイクロ流体冷却技術

半導体集積回路は、1950年代後半に誕生して以来、小型化、高速化、大容量化を目指して急速に発展してきました。ムーアの法則の導きにより、シリコンベースのチップの特徴サイズは継続的に縮小され、トランジスタの数は継続的に増加しています。 2020年にTSMCは量産において最小チップ特徴サイズ5nmを達成し、2022年にはAppleのM1 Ultraチップに1,140億個のトランジスタが集積されました。図 1 は、1970 年から 2022 年までのチップ内のトランジスタ数を示しています。

集積回路の開発においては、長い間、ムーアの法則がデナードのスケーリング則に従って開発されてきました。テクノロジーが世代を重ねるごとに、トランジスタ密度は 2 倍になり、単位面積あたりのトランジスタの消費電力は一定のままです。したがって、チップの電力密度は一定に保たれます。しかし、デナードのスケーリングの法則は 2007 年以降大幅に減速し、2012 年頃には破綻に近づきました。高度な製造プロセスではトランジスタのゲート長がますます小さくなっているため、リーク現象はますます深刻になり、チップの小型化技術の生産では消費電力は減少せずに増加しています。これにより、熱放散に深刻な問題が発生します。図 2 は、時間の経過に伴うチップ クロック周波数と熱設計電力値の開発傾向を示しています。プロセス ノードの削減とクロック周波数の増加により、チップの熱設計能力は増加しています。

熱放散はチップのパフォーマンスと信頼性にとって重要です。熱が効果的に放散されない場合、チップ温度は上昇し続け、デバイスのリーク電流が増加します。しきい値電圧が低下し、チップのパフォーマンスに影響を与えます。温度の上昇に伴い、電子部品や機器の故障率は指数関数的に増加します。電子デバイスの安定性と信頼性は温度に大きく影響されるため、高性能電子システムのブレークスルーは、過剰な熱を安全に放散する能力にますます依存しています。特に、サーバー、データセンター、スーパーコンピューティングセンターなど、年間を通じて連続稼働するアプリケーションでは、チップの放熱に対する要求が高まっています。

現在、高性能処理チップは一般的にフリップチップ (FC) パッケージ形式を使用しています。その構造を図 3 に示します。チップ下の熱放散経路は、底部フィラーやプレートなどの低熱伝導率材料を通過します。チップの下部は熱抵抗が高く、チップの放熱は主に構造の上部に依存します。チップ上の放熱経路には、トランジスタからシェルまでの熱伝導抵抗、シェルからヒートシンク表面までの熱伝導抵抗、ヒートシンクと外部環境の対流熱伝達抵抗の 3 つの主な熱抵抗があります。さらに、シェルとヒートシンクの組み立てには、粗い表面間の熱伝導経路を改善するためにサーマル インターフェイス マテリアル (TIM) が必要です。したがって、複数の界面熱抵抗が導入されます。

最も初期の凹型ランナー設計は、1981 年に DB Tuckerman と RFW Pease によって行われた研究に由来します。対流熱伝達係数を高めるために、彼らはチャネル幅を 50 μm に縮小し、特定の結晶方位を持つシリコンの溝を KOH で腐食し、シリカガラス陽極接合プロセスを使用して閉じたチャネルを形成しました。マイクロチャネルの構造を図 4 に示します。流量が 600 mL/min、圧力損失が 216 kPa のとき、冷却剤として脱イオン水を使用し、面積 1 × 1 cm2 のチップを冷却しました。熱源の最大熱流束は790W/cm2に達します。熱抵抗は約０．１Ｋ・ｃｍ ２ ／Ｗである。

貫通チャネルの構造が単純であるため、初期の埋め込み型マイクロ流体ヒートシンクは、平行な貫通チャネルで研究されました。最適化スキームには、理論的近似分析、マルチパラメーター スキャン、検索アルゴリズムなどが含まれます。一部の学者は、マイクロ流体工学と従来の流体の流れおよび熱特性の違いを研究し、マイクロ流体工学の熱放散の追跡分析のための理論的基礎を築きました。

それ以来、学者たちは、傾斜フィン、マイクロカラムフィン、三角形フィンなどを含む埋め込みマイクロ流体冷却用のさまざまな不連続フィン構造を提案してきました。また、波形マイクロチャネル、ピラニアフィンなどのいくつかの特殊なフィン構造も提案してきました。

さらに、図 5 に示すように、面積の大きなチップでは、同じ温度上昇を維持するためにより大きな流量が必要になります。熱源チップの面積が増加すると、最大熱抵抗が増加します。熱源面積が 1 cm2 の場合、限界熱流束は 200 W/cm2 ですが、熱源面積が 4 cm2 に増加すると、限界熱流束は 100 W/cm2 に減少します。チップ面積が増加すると、スポイラーは持続可能な熱設計ソリューションではなくなります。

DC チャネル内の流体の流れ距離が長いため、特に他の強化された熱伝達構造を追加した後では、流れ抵抗が一般に大きくなり、流れ抵抗がさらに増加し​​ます。さらに、平均ヌッセルト数が低いことと流体の明らかな温度上昇により、直線チャネルの熱放散能力は約 400 W/cm2 にしか達しません。

最適な放熱性能を得るために、その後の学者たちは、チップの放熱性能を最適化するためのマイクロカラムの形状、半径、位置、数、その他のパラメータを含むマイクロカラム構造の重要な寸法について多くの研究と分析を実施しました。

従来の貫通路には、流れ方向に沿った大きな圧力降下と大幅な温度上昇という 2 つの欠陥が考えられます。冷媒の加熱による熱抵抗を下げるためには、流量を増やす必要があります。圧力損失を増加させることなく、平行チャネルの数を増やし、流れの長さを短くすることで、流量を増やすことができます。

一部の学者は、図6に示すように、ジェットおよびマニホールドチャネルの冷却モードと組み合わせて、効率的な冷却を実現できる超薄型ラジエーターを提案しています。2×2cmの² ラジエーターがシミュレーションおよび最適化されています。結果は、流量が1 L/min未満の場合、全圧力損失は100 kPa未満、全熱抵抗は0.087 K・cm ² /W、最大冷却能力は750 W/cm に達することを示しています²。入口温度とチップ温度の差は 65 K です。

2022 年、北京大学の研究グループは、ダブル H シャント マニホールド チャネル設計を提案しました。埋め込まれたマイクロ流体冷却チップは、シリコン - シリコン直接接合プロセスによって準備されました。チャネル構造を図 7 に示します。チップはシリコン - シリコン直接接合プロセスによって作成されました。チャネル構造を図 7 に示します。2 x 2 cm の² 熱源領域では、冷却作動媒体として脱イオン水を使用し、圧力損失 35 kPa、流量 612 mL/min の条件下で 417 W の効果的な冷却が達成されました。チップの平均温度上昇はわずか 22.2K です。彼らは、深さアスペクト比が低いマニホールドチャネル内の熱伝達を研究するためのセミフィンモデルを提案し、その後のチャネル構造の最適化の基礎となるフィン効率と平均ヌッセルト数を解決しました。この構造のマニホールドチャネルと入口と出口は熱源チップの領域に配置されており、コンパクトな冷却方式を実現でき、大面積チップの組み込み冷却に適しています。

直線通路は構造が最も単純で、最適化設計のパラメータが少なくなります。したがって、埋め込み型マイクロ流体冷却の開発の初期段階では、比較的完全な研究が行われてきました。特にチャネル構造パラメータの最適化の面では、特定の条件下で冷却性能を最適化できます。直線通路のフィン構造を切り離し、異なる形状に設計することでスポイラーマイクロカラムの機能を実現しています。流体境界層の安定した発達が損傷されると、流体の運動エネルギーが消費されるため、構造内の流体の圧力損失が大きくなります。どちらのチャネル構造にも、流れ方向に沿った温度上昇が大きいという欠点があり、特に大面積の高出力チップでは、チップ温度の均一性が悪くなります。

流体構造は対流熱伝達率を効果的に向上させることができますが、埋め込みチップ冷却に使用する場合、熱伝達面積を拡大することは困難です。より均一な冷却を実現するには、高密度のノズル/回収構造が必要です。製造プロセスと信頼性の制限により、組み込み冷却におけるジェット構造に関する研究はほとんどありません。

マニホールドチャネルの導入により、埋め込まれたマイクロチャネルのセグメント化が実現し、流体の等価流長が短縮されます。したがって、ポンプの圧力損失とポンプ動力が低減され、冷却エネルギー効率が向上します。マニホールド チャネルは、シリコン ベースの MEMS 処理技術の開発と切り離せない組み込みマイクロ流体冷却技術で使用できます。マニホールド型マイクロチャネル構造は、マイクロチャネル冷却における流れ抵抗が大きく、流れ方向に沿った温度上昇が大きいという欠点を克服しているため、より多くの応用の可能性があり、より広く研究されています。

典型的な埋め込み型 マイクロ流体冷却システムは 埋め込まれたポンプで構成されています ヒートシンク と熱交換器。ここで、ポンプは冷却作動媒体の循環に必要なエネルギーを提供し、埋め込まれたヒートシンクは熱源から冷却作動媒体への熱交換を実現します。比較すると、熱交換器は冷却媒体の冷却を実現し、システムの信頼性の高い循環を保証します。埋め込み型マイクロ流体冷却では、従来の液体冷却と同じポンプと熱交換器を使用します。

熱伝達に関しては、表面粗さの変更、流体の安定した発達の破壊、二次流れ、振動など、流路内の熱伝達のパフォーマンスを向上させるさまざまな手段があります。しかし、一部の構造は埋め込みシリコン冷却に使用することが困難であり、例えば波状のマイクログルーブや他のバルクシリコン加工技術ではその構造を実現するのが困難です。したがって、組み込み冷却技術には使用できません。

この論文で紹介されている組み込みマイクロ流体冷却技術では、熱抵抗加熱を使用して IC チップの発熱をシミュレートします。実際のICチップに埋め込みマイクロ流体冷却技術を利用するには、ICチップ内に埋め込みマイクロ流路構造を準備する必要があります。ただし、埋め込まれたマイクロ流体冷却は、埋め込まれていない冷却よりも優れたパフォーマンスを発揮します。 IC チップの組み込み冷却処理およびパッケージング技術には、互換性と信頼性の点でまだいくつかの問題があるため、現時点では商用の組み込み液体冷却ソリューションはありません。

チップ製造における汚染の影響を受けやすいため、チップ製造工場は放熱チャネルを準備してからデバイス回路を再処理するための MEMS プロセスを受け入れていません。これまでの IC チップ内蔵冷却技術は、チップ加工後にヒートシンク装置を準備するものでした。プロセスの適合性に応じて、二次加工のプロセスで温度と材料の IC 適合性を考慮する必要があります。したがって、高温プロセスや IC に敏感な材料は使用できません。

従来の IC と比較して、3D 高密度 IC の熱管理問題はより重大です。主な理由は、3D 時空間における強力な不均一な電力消費と、その結果として生じる深刻な局所的な過熱です。誘電体層材料の熱伝導率が低いため、3D 統合マイクロシステムの層間熱抵抗が増加します。冷却が大幅に改善されない場合、ホット スポットからホット シンクまでの等価熱抵抗は大幅に増加します。 3D 集積回路の熱管理問題は、従来の 2D または 2.5D 集積回路の問題よりも深刻です。

多くのシミュレーションは、特定のチャネル構造に対する組み込みマイクロ流体冷却の信頼性を向上させるためのガイダンスと提案を提供します。しかし、すべての作業の相関関係は強くないため、体系的な信頼性設計手法は現時点では存在しません。

組み込み冷却技術は一種の 冷却技術。 チップ基板に冷却媒体を導入するそれは数十年にわたって研究されてきました。従来の遠隔冷却技術と比較して、組み込み冷却は熱伝導抵抗を効果的に低減し、界面の熱抵抗を回避し、冷却性能を向上させることができます。ただし、チャネルの設計とパッケージングのスキームは長年にわたって繰り返され、更新されてきました。この技術の冷却性能を示す実際のチップでのデモンストレーションも行われています。ただし、埋め込み型マイクロ流体冷却技術はまだ商用化されていません。この論文では分析されていない製造コスト要因に加えて、プロセスと使用プロセスの信頼性も組み込み冷却の実用化を妨げています。したがって、今のところ、遠隔冷却は依然として商業部門と軍事部門の両方で主要な解決策です。

埋め込み型冷却の方がエネルギー効率が高くなりますが、非埋め込み型冷却の研究によっては、埋め込み型冷却と同等の電力または電力密度の値を達成したものもあります。したがって、液体冷却技術の開発の方向性は、冷却構造を熱源領域に近づけることです。将来的には、3D パッケージング アーキテクチャがトランジスタの集積度を向上させる効果的な方法となります。システムの電力問題に加えて、チップの層間冷却も克服する必要があります。したがって、処理コストを最適化し、組み込みマイクロ流体冷却技術の信頼性を向上させるために、小型化および高密度実装に適合した組み込みマイクロ流体冷却の共同設計スキームを提案する必要がある。これは将来の重要な研究の方向性となるでしょう。