IcePak芯片熱設(shè)計之微尺度液冷

2017-08-28 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

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同尺度的芯片發(fā)熱量的逐漸增大是目前熱設(shè)計問題愈來愈嚴(yán)峻的直接原因。在新的基礎(chǔ)材料出現(xiàn)之前,芯片性能的提升依然主要依靠內(nèi)部晶體管數(shù)量的提升。

晶體管內(nèi),電子的移動形成電流,而電子移動過程中不可避免地會受到阻滯,這種阻滯將轉(zhuǎn)換為熱量。這樣,在新的計算機(jī)制或信息物理載體出現(xiàn)之前,芯片功率持續(xù)上升幾乎是一種必然。芯片發(fā)熱量的增加是導(dǎo)致電子散熱問題的關(guān)鍵因素。

摩爾定律預(yù)見了晶體管可以做到非常密集,但非常密集并不意味著無限密集。前幾年炒作的硅光子科技也并未規(guī)?；氚雽?dǎo)體行業(yè)。當(dāng)前,Intel計劃的10nm工藝已經(jīng)在研究中,而硅原子,芯片的溫度控制已經(jīng)很大程度上限制了該類產(chǎn)品的設(shè)計。

當(dāng)前,一個很普遍的現(xiàn)象是,許多電子產(chǎn)品中,打開機(jī)殼可以看到各種尺寸的散熱器。事實(shí)上,無論是導(dǎo)熱界面材料、散熱器還是風(fēng)扇,甚至是當(dāng)前被看好的液冷,但無論外部的熱手段如何設(shè)計,芯片內(nèi)部熱源到芯片外殼的傳熱阻力只能依靠材料自身的導(dǎo)熱系數(shù)來改善。這樣,當(dāng)芯片內(nèi)部熱流密度達(dá)到一定程度后,僅這一層熱阻就可能導(dǎo)致芯片熱失效。如果維持原有的策略,那么所有的散熱手段都將無法解決芯片的散熱問題。

一個簡單的計算公式,當(dāng)熱源與頂殼之間材料熱阻位0.1℃/W時(相當(dāng)于結(jié)殼熱阻),一個500W的芯片,僅自身的固有溫升就達(dá)到了50℃。預(yù)見到這種問題,美國Defense Advanced Research Projects Agency提出了一種微尺度流動散熱方法,其設(shè)計思路如下圖所示:

以常規(guī)的角度看,這種芯片內(nèi)部的微尺度流動散熱方案似乎很夢幻,這一散熱方案的項目名稱被稱為ICECool (Intra/Interchip Enhanced Cooling).。美國國防部高級研究計劃局并不是想簡單提出一個過渡性的散熱解決方案,而是想最大程度發(fā)揮目前的科技可能性。
這種方案最大的特色在于,移熱介質(zhì)直接貫穿到芯片發(fā)熱間隙中,其可以方便地與芯片表面散熱方案結(jié)合起來,相當(dāng)于一個當(dāng)前普通液冷設(shè)計中將冷頭與芯片封裝深度結(jié)合到一起的方案。顯然,這種結(jié)合絕不只是結(jié)構(gòu)上的簡單改動,冷頭內(nèi)部導(dǎo)流溝槽的設(shè)計,需要充分參考器件管腳的分布。器件集成度越來越高,勢必需要設(shè)計復(fù)雜的內(nèi)部溝槽流道,使得移熱介質(zhì)能夠進(jìn)入微尺度槽道內(nèi),進(jìn)而帶走芯片的熱耗。

在微尺度條件下,熱量的傳遞強(qiáng)化需要遵循與常規(guī)尺度下不同的特性原則。

可以預(yù)見,如果這種散熱方案最終成行,熱設(shè)計在整個芯片設(shè)計中的角色與工作量將大大提升。
DARPA宣稱,這種散熱方案可以卓有成效地解決當(dāng)前高功耗密度芯片的散熱問題。第一階段的實(shí)驗(yàn)證實(shí),這種散熱解決方案,在1KW/cm2的熱流密度下(多個局部熱點(diǎn)區(qū)域熱流密度為30kw/cm2),其熱阻僅為目前常規(guī)散熱手段的四分之一。第二階段的測試將其應(yīng)用到射頻放大器上,其輸出功率相對之前的散熱方案提高了六倍。這很大程度上證實(shí),熱設(shè)計方案的優(yōu)化,對于提高芯片的工作性能已經(jīng)有了很大必要。良好的熱設(shè)計方案,可大大提高芯片的可靠性。

洛克希德·馬丁公司對這種技術(shù)非常有信心,其已經(jīng)設(shè)計并建立了一個采用微流體冷卻的天線裝置。洛克希德·馬丁公司也與Qorvo一起,進(jìn)行高性能氮化鎵(GaN)熱解決方案的合作開發(fā)。

DARPA認(rèn)為ICEcool會將電子系統(tǒng)的熱管理進(jìn)行明顯的轉(zhuǎn)變。ICEcool將定義并展示芯片內(nèi)部特定的熱管理方法。這種方法會將芯片的材料設(shè)置、制造流程以及工作的環(huán)境條件綜合考慮,使得芯片滿足設(shè)計者的要求。?

如果芯片的微流體冷卻技術(shù)能夠成功應(yīng)用,那么它將有機(jī)會挑戰(zhàn)摩爾定律。

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