多器件共设计电子系统用于散热和温度稳定

电气化Electrification，是社会脱碳的关键，但在电气系统管理中，不断增加的功率密度，需要开发新的热管理技术。其中，一种可行的方法是，使用单片金属基散热器monolithic-metal-based heat spreaders，以减少电子器件热阻和温度波动。然而，这种单片金属散热器的导电性，使其难以如愿。

近日，美国 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）Nenad Miljkovic团队Tarek Gebrael，Jiaqi Li等，在Nature Electronics上发文，报道了多器件共设计电子系统co-designed electronic systems ，该系统将铜直接单片集成在电子设备上，用于散热和温度稳定。

首先用聚（2-氯-对二甲苯） poly（2-chloro-p-xylylene） （聚对二甲苯C，parylene C） 电绝缘层涂覆器件，然后，再用铜保形涂层涂覆器件。这允许铜非常接近发热元件，从而消除了对热界面材料的需要，并且与现有技术相比，提供了优异的冷却性能。

研究表明，以氮化镓功率晶体管为例，该方法可用于工作电压高达600V电子系统，并在静态空气中，提供2.3cm2kW–1低结至环境比热阻low junction-to-ambient specific thermal resistance，在静态水中，提供0.7cm2kW–1低结至环境比热阻。

High-efficiency cooling via the monolithic integration of copper on electronic devices

通过将铜单片集成在电子设备上，实现高效冷却。

镀铜散热器制造

测试配置图片

与铜单片集成EPC2034热性能

散热分析

涂层对热机械可靠性的影响

该项研究，在静止空气和静止水中，测得低结至环境热阻 low junction-to-ambient thermal resistances表明，涂层散热器coated heat spreaders，可以在电气系统中，实现高效且廉价的被动冷却，从而节省冷却能耗，并提高产品性能。

介电流体Dielectric fluids，如矿物油和氢氟醚hydrofluoroethers，因其介电性质，广泛用作浸没式冷却剂。水提供更高的传热系数和热通量，但其冷却性能，受到其导电特性的影响。

该铜涂层方法，因其聚二甲苯层的绝缘特性，能够在水中，进行浸没式冷却。该方法，还可以设计为在单相冷却状态下运行，冷却电子设备，并消除电介质冷却剂时常见的沸腾机械应力。

鉴于铜涂层是平面的，因此其不会干扰服务器模块的堆叠。与标准冷却方法相比，这种材料集成，可产生更高的系统功率密度。实验表明，尽管散热片heat sink和223µm厚铜涂层，呈现相似的热阻，但铜涂层的单位体积功率比散热片高740%。这种功率密度的增加，是因为涂层所占的体积相对于散热器所占的体积减少了89%。

基准测试表明，562µm厚铜涂层，在空气和水中分别呈现10.1和2.7cm3kW–1体积热阻（r″），需要零冷却功率，并且优于现有的空气强制对流和间接单相液体强制对流冷却。

增材制造的最新发展，已经可以通过在半导体器件上直接沉积金属，从而制备导热界面材料 thermal interface material TIMs 。这些增材制造技术，可以产生热优化解决方案，但由于电气短路风险，不能同时涂覆多个器件。这一挑战阻碍了增材制造，实现涂层散热器的体积紧凑性，除非应用电绝缘层。

审核编辑：郭婷