如何减少电力电子设备损耗

现如今，密集的电子设备产生的热量是一种昂贵的资源消耗。为了使系统保持在合适的温度以获得最佳的计算性能，美国的数据中心冷却系统消耗的能源和水的消耗量与费城的所有居民一样多。现在，通过将液体冷却通道直接集成到半导体芯片中，研究人员希望至少在电力电子设备中减少这种损耗，使其体积更小、成本更低、能耗更低。

传统上，电子设备和热管理系统是分开设计和制造的，瑞士洛桑埃科尔理工学院的电气工程教授Elison Matioli说。这给提高冷却效率带来了一个根本性的障碍，因为热量必须在多个材料中传播相对较长的距离才能去除。例如，在今天的处理器中，热材料虹吸管将热量从芯片转移到体积庞大的风冷铜散热片上。

为了获得更节能的解决方案，Matioli和他的同事开发了一种低成本的工艺，将微流控冷却通道的3D网络直接放入半导体芯片中。液体比空气更能去除热量，其想法是将冷却液千分尺远离芯片热点。

但与之前报道的微流控冷却技术不同，他说：“我们从一开始就设计电子器件和冷却系统。”因此，微通道就在每个晶体管器件的有源区下方，在那里它的温度最高，这使冷却性能提高了50倍。他们在近日的《自然》杂志上报道了他们的共同设计理念。

研究人员早在1981年就提出了微通道冷却技术，而Cooligy等初创公司也一直在追求处理器的理念。但半导体产业正从平面器件转向三维器件，并朝着多层结构的未来芯片发展，这使得冷却通道变得不切实际。“这种嵌入式冷却解决方案不适用于现代处理器和芯片，如CPU，”Tiwei Wei说，他在比利时的Interuniversity Microelectronics Center和KU Luuven研究电子冷却解决方案。“相反，这种冷却技术对电力电子最有意义，”他说。

电力电子电路管理和转换电能，广泛应用于计算机、数据中心、太阳能电池板和电动汽车等领域。他们使用了大面积分立器件，由宽禁带半导体如氮化镓制成。这些设备的功率密度在过去几年里急剧上升，这意味着它们必须“与一个巨大的散热器挂钩”，Matoli说。

最近，电力电子模块已经转向液体冷却，无论是通过冷板还是微通道冷却系统。但是，迄今为止，所有的微通道冷却系统都是单独制造的，然后与芯片结合。键合层增加了耐热性，通道和电路设备不紧密对齐。

“我们把它提升到了下一个水平，”Matoli说，通过在同一芯片中制造设备和冷却通道。他们在涂覆在硅衬底上的氮化镓层中蚀刻微米宽的裂痕。缝长30µm，深115µm。利用特殊的气体刻蚀技术，它们拓宽硅衬底上的缝隙，形成液体冷却液通过的通道。

然后，研究人员利用铜密封氮化镓层中的微小开口，在上面制造设备。他说：“我们只在晶圆的微小区域有微通道，这些微通道与每一个晶体管都有接触。这使得这项技术更加有效，因为我们可以从附近提取大量的热量，但我们使用的抽水功率非常小。”

作为演示，研究人员制作了一个由四个Schottky二极管组成的交流-直流整流电路，每个二极管可以处理1.2kV的电压，像这样的电路通常需要一个拳头大小的散热器。但是集成了液体冷却系统的电路芯片安装在一块U盘大小的印刷电路板上，电路板由三层组成，上面刻有通道，将冷却液输送到芯片上。

该显示表明，功率密度超过1700瓦/平方厘米的热点，仅使用0.57瓦/平方厘米的泵送功率就可以冷却。与之前报道的微流控通道冷却相比，性能提高了50倍。

Wei说，“氮化镓薄膜和铜密封层的可靠性应该随着时间的推移进行研究。但这种创新的冷却解决方案是朝着“低成本、超紧凑和节能的电力电子冷却系统”迈进的一大步。”

原文标题：用微型管道打造电力电子设备可以节省大量资金

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责任编辑：haq