С момента появления полупроводниковых интегральных схем в конце 1950-х годов они быстро развивались в направлении малых размеров, высокой скорости и большого объема памяти. Согласно закону Мура, размер кремниевых чипов постоянно уменьшается, а количество транзисторов постоянно увеличивается. В 2020 году TSMC достигла минимального размера чипа в 5 нм при массовом производстве, а в 2022 году чип Apple M1 Ultra объединил 114 миллиардов транзисторов. На рисунке 1 показано количество транзисторов в чипе с 1970 по 2022 годы.
Долгое время при разработке интегральных схем закон Мура развивался в соответствии с законом масштабирования Деннарда. В каждом поколении технологий плотность транзисторов удваивается, а потребляемая мощность транзисторов на единицу площади остается постоянной. Таким образом, плотность мощности чипа остается постоянной. Однако закон масштабирования Деннарда значительно замедлился с 2007 года. Примерно в 2012 году он был близок к отказу. Поскольку длина затвора транзистора становится все меньше и меньше в передовом производственном процессе, явление утечки становится все более и более серьезным, что делает чип при производстве технологии меньшего размера, энергопотребление не уменьшается, а увеличивается. Это приводит к серьезным проблемам с отводом тепла. На рисунке 2 показана тенденция изменения тактовой частоты чипа и расчетной тепловой мощности с течением времени. С уменьшением технологических узлов и увеличением тактовой частоты увеличивается тепловая мощность чипа.
Рассеяние тепла имеет решающее значение для производительности и надежности чипа. Если тепло не может быть эффективно рассеяно, температура чипа будет продолжать расти, что приведет к увеличению тока утечки устройства. Пороговое напряжение уменьшается, что влияет на производительность чипа. С повышением температуры частота отказов электронных компонентов и оборудования увеличивается в геометрической прогрессии. На стабильность и надежность электронных устройств сильно влияет температура, поэтому достижения в области высокопроизводительных электронных систем все больше зависят от способности безопасно рассеивать избыточное тепло. В частности, отвод тепла от чипов все чаще требуется в таких приложениях, как серверы, центры обработки данных и суперкомпьютерные центры, которые работают непрерывно в течение года.
В настоящее время высокопроизводительные процессоры обычно используют форму корпуса Flip Chip (FC). Его структура показана на рисунке 3. Путь отвода тепла под чипом проходит через материалы с низкой теплопроводностью, такие как нижние наполнители и пластины. Нижняя часть чипа имеет высокое термическое сопротивление, а для отвода тепла чип в основном опирается на верхнюю часть конструкции. На пути рассеивания тепла над чипом имеется три основных тепловых сопротивления, включая сопротивление теплопроводности от транзистора к корпусу, сопротивление теплопроводности от корпуса к поверхности радиатора, а также радиатор и сопротивление конвекционной теплопередаче внешней среды. Кроме того, для сборки корпуса и радиатора требуется термоинтерфейсный материал (TIM), чтобы улучшить путь теплопроводности между шероховатыми поверхностями. Таким образом, вводится тепловое сопротивление нескольких интерфейсов.
Самая ранняя конструкция утопленного литника возникла в результате работы, проведенной Д.Б. Такерманом и RFW Pease в 1981 году. Чтобы увеличить коэффициент конвективной теплопередачи, они уменьшили ширину канала до 50 мкм, разъели кремниевую канавку с определенной ориентацией кристаллов с помощью КОН и сформировали закрытый канал, используя процесс соединения анода с кварцевым стеклом. Структура микроканалов показана на рисунке 4. При скорости потока 600 мл/мин и перепаде давления 216 кПа в качестве охлаждающей жидкости использовалась деионизированная вода для охлаждения чипа площадью 1×1 см2. Максимальный тепловой поток источника тепла достигает 790 Вт/см2. Термическое сопротивление составляет около 0,1 К·см 2 /Вт.
Из-за простой структуры сквозных каналов ранний встроенный микрожидкостный радиатор изучался на параллельных сквозных каналах. Схема оптимизации включает теоретический приближенный анализ, многопараметрическое сканирование, алгоритм поиска и т.д. Некоторые ученые также изучали разницу между потоковыми и тепловыми характеристиками микрофлюидики и обычных жидкостей, что заложило теоретическую основу для последующего анализа рассеяния тепла в микрофлюидике.
С тех пор ученые предложили множество прерывистых ребер для встроенного охлаждения микрожидкостей, в том числе наклонные ребра, ребра микроколонн, треугольные ребра и т. д., а также некоторые специальные ребра, в том числе микроканалы волновой формы, плавники пираний и т. д.
Кроме того, чипы большой площади требуют больших потоков для поддержания того же повышения температуры, как показано на рисунке 5. По мере увеличения площади чипа источника тепла максимальное термическое сопротивление будет увеличиваться. При площади источника тепла 1 см2 предельный тепловой поток составляет 200 Вт/см2, а при увеличении площади источника тепла до 4 см2 предельный тепловой поток уменьшается до 100 Вт/см2. Поскольку площадь чипа увеличивается, спойлер не является устойчивым решением для теплового дизайна.
Из-за большого расстояния потока жидкости в канале постоянного тока сопротивление потоку обычно больше, особенно после добавления других структур с улучшенной передачей тепла, что приводит к дальнейшему увеличению сопротивления потоку. Кроме того, из-за низкого среднего числа Нуссельта и очевидного повышения температуры жидкости теплоотдача прямого канала может достигать лишь около 400 Вт/см2.
Чтобы получить оптимальные характеристики отвода тепла, последующие ученые провели множество исследований и анализа ключевых размеров структуры микроколонки, включая форму, радиус, положение, количество и другие параметры микроколонки, чтобы оптимизировать характеристики отвода тепла чипа.
Рассмотрены два недостатка традиционного проходного канала: большой перепад давления и значительный рост температуры по направлению потока. Чтобы уменьшить тепловое сопротивление, вызванное нагревом охлаждающей среды, необходимо увеличить скорость потока. Расход можно увеличить за счет увеличения количества параллельных каналов и сокращения длины потока без увеличения перепада давления.
Некоторые ученые предложили ультратонкий радиатор, который может обеспечить эффективное охлаждение в сочетании с режимом охлаждения струи и коллекторного канала, как показано на рисунке 6. 2 Радиатор размером 2×2 см смоделирован и оптимизирован. Результаты показывают, что при скорости потока менее 1 л/мин общий перепад давления составляет менее 100 кПа, общее термическое сопротивление составляет 0,087 К·см 2 /Вт, а максимальная холодопроизводительность достигает 750 Вт/см 2. Разница между температурой на входе и температурой чипа составляет 65 К.
В 2022 году исследовательская группа из Пекинского университета предложила конструкцию канала коллектора с двойным H-шунтом. Встроенные микрожидкостные охлаждающие чипы были изготовлены методом прямого соединения кремний-кремний. Структура канала показана на рисунке 7. Чипы были изготовлены методом прямого соединения кремний-кремний. Структура канала показана на рисунке 7. На 2 площади источника тепла размером 2 х 2 см при использовании деионизированной воды в качестве охлаждающей рабочей среды была достигнута эффективная мощность охлаждения 417 Вт при перепаде давления 35 кПа и расходе 612 мл/мин. Средний нагрев чипа составляет всего 22,2К. Они предложили модель полуребра для изучения теплопередачи в коллекторных каналах с малым соотношением глубины и удлинения, а также определили эффективность плавников и среднее число Нуссельта, что послужило основой для последующей оптимизации структуры каналов. Канал коллектора, а также вход и выход конструкции расположены в области чипа источника тепла, что позволяет реализовать компактную схему охлаждения и больше подходит для встроенного охлаждения чипа большой площади.
Прямой проход имеет наиболее простую структуру и меньше параметров для оптимизации проектирования. Таким образом, на ранней стадии разработки встроенного микрожидкостного охлаждения было проведено относительно полное исследование. Особенно в аспекте оптимизации параметров структуры каналов эффективность охлаждения может быть оптимизирована при определенных условиях. Реберная конструкция в прямом проходе разъединена и имеет различные формы для реализации функции микроколонны спойлера. Из-за нарушения стабильного развития пограничного слоя жидкости расходуется кинетическая энергия жидкости, поэтому перепад давления жидкости в конструкции велик. Обе структуры каналов имеют недостаток, заключающийся в значительном повышении температуры в направлении потока, особенно в мощных чипах большой площади, однородность температуры чипов плохая.
Хотя жидкостная структура может эффективно улучшить коэффициент конвективной теплопередачи, трудно расширить площадь теплопередачи, когда она используется для охлаждения встроенного чипа. Для достижения более равномерного охлаждения необходима плотная конструкция сопла/регенерации. Из-за ограничений производственного процесса и надежности исследований структуры струи при встроенном охлаждении мало.
Введение коллекторного канала реализует сегментацию встроенного микроканала и увеличивает эквивалентную длину потока жидкости. Таким образом, падение давления и мощность насоса уменьшаются, а коэффициент энергоэффективности охлаждения улучшается. Канал коллектора может использоваться во встроенной технологии микрофлюидного охлаждения, которая неотделима от разработки технологии обработки МЭМС на основе кремния. Микроканальная структура коллекторного типа преодолевает недостатки большого сопротивления потоку и большого повышения температуры вдоль направления потока при микроканальном охлаждении, поэтому она имеет больше перспектив применения и более широко изучена.
Типичный встроенный Система микрожидкостного охлаждения состоит из насоса, встроенного радиатор и теплообменник. При этом насос обеспечивает энергию, необходимую для циркуляции охлаждающего рабочего тела, а встроенный радиатор реализует теплообмен от источника тепла к охлаждающему рабочему телу. Для сравнения, теплообменник реализует охлаждение охлаждающей среды и обеспечивает надежную циркуляцию системы. Во встроенном микрофлюидном охлаждении используются те же насосы и теплообменники, что и в обычном жидкостном охлаждении.
С точки зрения теплопередачи существуют различные средства повышения эффективности теплопередачи в канале, включая изменение шероховатости поверхности, разрушение стабильного развития жидкости, вторичное течение, вибрацию и так далее. Однако некоторые структуры трудно использовать для охлаждения встроенного кремния, например, волнистые микроканавки и другие технологии обработки объемного кремния, которые трудно достичь. Поэтому его нельзя использовать во встроенных технологиях охлаждения.
Во встроенной технологии микрожидкостного охлаждения, представленной в этой статье, терморезистивный нагрев используется для моделирования тепловыделения микросхем ИС. Чтобы использовать технологию встроенного микрофлюидного охлаждения в реальных микросхемах, необходимо подготовить встроенные микроканальные структуры в микросхемах. Хотя встроенное микрофлюидное охлаждение работает лучше, чем невстроенное охлаждение. В настоящее время не существует коммерческого решения для встроенного жидкостного охлаждения, поскольку технология обработки и упаковки встроенного охлаждения микросхем все еще имеет некоторые проблемы совместимости и надежности.
Из-за чувствительности производства чипов к загрязнению, производители микросхем не принимают процесс MEMS для подготовки теплорассеивающих каналов и последующей обработки схем устройств. До сих пор вся технология охлаждения встроенных микросхем заключается в подготовке радиатора после обработки чипа. В соответствии с совместимостью процесса в процессе вторичной обработки следует учитывать совместимость температуры и материалов ИС. Поэтому нельзя использовать высокотемпературные процессы и чувствительные к ИС материалы.
По сравнению с традиционными ИС, проблема управления температурным режимом в 3D-ИС высокой плотности является более серьезной. Основными причинами являются сильная неравномерность энергопотребления в трехмерном пространстве и времени и, как следствие, серьезный локальный перегрев. Низкая теплопроводность материалов диэлектрического слоя увеличивает межслоевое термическое сопротивление 3D-интегрированных микросистем. Эквивалентное тепловое сопротивление от горячей точки до горячего стока значительно увеличивается, если охлаждение существенно не улучшается. Проблема управления температурным режимом в 3D-интегральных схемах более серьезна, чем в традиционных 2D- или 2,5D-интегральных схемах.
Многие модели моделирования предоставляют рекомендации и предложения по повышению надежности встроенного микрофлюидного охлаждения для конкретных канальных структур. Однако корреляция всех работ не является сильной, поэтому в настоящее время не существует метода систематического проектирования надежности.
Встроенная технология охлаждения — это своего рода технология охлаждения , которая вводит охлаждающую среду в подложку чипа. Его исследуют уже несколько десятилетий. По сравнению с традиционной технологией дистанционного охлаждения встроенное охлаждение может эффективно снизить сопротивление теплопроводности, избежать теплового сопротивления интерфейса и улучшить эффективность охлаждения. Хотя дизайн канала и схема упаковки менялись и обновлялись на протяжении многих лет. Также были проведены демонстрации на реальных чипах, демонстрирующие эффективность охлаждения этой технологии. Однако технология встроенного микрожидкостного охлаждения еще не коммерциализирована. Помимо факторов производственных затрат, не проанализированных в этой статье, надежность процесса и процесса использования также препятствуют практическому применению встроенного охлаждения. Поэтому на данный момент удаленное охлаждение по-прежнему остается основным решением как в коммерческом, так и в военном секторах.
Встроенное охлаждение имеет более высокий коэффициент энергоэффективности, хотя в некоторых исследованиях невстроенного охлаждения были достигнуты значения мощности или плотности мощности, сравнимые со встроенным охлаждением. Таким образом, направление развития технологии жидкостного охлаждения состоит в том, чтобы разместить охлаждающую конструкцию ближе к зоне источника тепла. В будущем 3D-архитектура корпуса станет эффективным способом улучшения интеграции транзисторов. Помимо проблем с питанием системы, приходится преодолевать и межслойное охлаждение чипа. Поэтому необходимо предложить совместную схему проектирования встроенного микрожидкостного охлаждения, совместимую с миниатюризацией и упаковкой высокой плотности, чтобы оптимизировать затраты на обработку и повысить надежность технологии встроенного микрожидкостного охлаждения. Это будет ключевым направлением исследований в будущем.
