一种嵌入式微流体冷却系统及硅基转接板

20230113

制造业

本专利主要瞄准于先进大面积计算芯片的热管理技术研究，需要针对合作单位具有一定的消费电子产品的市场规模，且需要有部分产品的散热需求十分迫切。相较于传统的热封装方法，本专利可以大幅度地降低高性能电子产品的温度，以期取得更好的热管理能力。此外，本专利由于制造工艺方面较为复杂，需要的专业的设备进行加工，包括其中的微米尺度的流道、歧管通道等，因此也需要合作单位具有较强的微纳加工制造能力，除了需要超净加工环境外，还需要进行光刻工艺，也同时包括硅基底的刻蚀，薄膜的生长，也需要有一定的封装测试能力，包括工艺流片的镜检，刻蚀台阶的测量，生长氧化物薄膜的测量等，以及探针台等测量电学性能的设备。本专利所提出的硅基转接板具有可并行加工的能力，因此可以使用硅基微纳制造工艺进行并行大规模制造，可以有效降低成本，提升良率。最后，由于硅基加工工艺复杂，需要有成熟有经验的硅基MEMS团队来进行流片制作，还需要建立可靠性实验室，针对不同产品的不同使用环境，如温度，湿度等参数进行可靠性的评估与测试，才能确保在消费端或是设备端取得更好的效果。本专利的的还用还涉及到外界的流路，因此也需要进行外界流体元件的选择，最好合作团队对于泵阀等流体原件的使用较为熟悉，这样可以更好地将本专利所提出的冷却方法进行应用。

功率芯片散热能力提升：本专利开发的高效热管理技术可以显著提升功率芯片工作的性能并增加功率芯片的使用可靠性。使得碳化硅基氮化硅功率芯片的更加广泛地应用于军用雷达，通信系统等设备中，这对于提高射频器件的射频功率和增加射频器件工作范围具有重要作用。同时，高效的热管理技术对于实现装备的小型化、高集成度有着重要的应用价值，在提高装备的性能水平、增强装备的可靠性方面也具有重要意义。 辐射支撑高性能计算芯片：本项目针对功率芯片设计的热管理解决方案亦可以应用于高性能计算芯片中。通过高效的热管理技术，可以显著地降低高性能运算芯片在工作的温度，提高高性能计算芯片的使用性能和工作可靠性，延长芯片的使用寿命。并可以有效解决目前高性能散热芯片热管理效率低、耗能大的问题，可以降低服务器的运行成本，推动大数据、云计算、物联网等对运算需求较大的新兴产业的发展。 集成微系统能力提升，未来电子战的攻击系统需要不断增加系统有效辐射功率并增加其辐射范围，所以需要更高功率的射频发射器。新型的小型射频微系统将成为重要的发展趋势，该种微系统的体积有限并必须在较差的散热环境中使用，产生的高温成为了限制微系统能力提升的瓶颈。本项目开发的芯片级热管理方法可以有效地的克服在较小的体积中将热量带走这一技术难点，从而显著地提高集成微系统的性能

可国（境）内外转让

海淀区高价值专利培育运营中心建设项目

北京市海淀区人民政府

针对嵌入式微流体冷却技术用于IC芯片存在的封装复杂度问题，创新性地提出了双H型的歧管通道用于流体分配与收集。通过使用硅基微纳加工技术制备微米级的微通道，并通入冷却工质来对热源进行冷却，由于微通道的特征尺寸较小，所采用的微通道具有较高的对流换热能力，为了进一步优化转接板的换热能力。采用COMSOL仿真软件进行仿真优化设计，在总压降固定的情况下优化通道结构尺寸，通过等效流阻模型优化通道设计，调整微通道的进出液口尺寸，歧管通道的长宽，微通道的根数来调整芯片的整体温度分配，使芯片表面温度分布尽可能降低且保持均匀。流片验证了此种20×20mm2嵌入式微流体热沉装置的散热性能，使用MEMS工艺进行了流道刻蚀，发热器制备，微通道结构键合后制备了测试样品，实测在泵浦压降为35.0 kPa，流量为612 ml/min的工况下，施加417 W的发热功率并进行全局测温，结果显示平均温升和最高温升分别为22.2 K，34.7 K。突破了传统微通道散热的温度均匀性问题，实现了大面积芯片的小压降高效冷却，平均温升为60 K时，系统COP大于3000。有望应用于未来高功率计算芯片中，保证高功率计算芯片的可靠性与使用性能，并且有望应用于大规模射频微系统中，实现多阵列，高热流密度微系统的热管理，具有广阔的运用前景。