Встроенная микрожидкостная технология охлаждения процессора большой площади

С момента появления полупроводниковых интегральных схем в конце 1950-х годов они быстро развивались в направлении малых размеров, высокой скорости и большой памяти.В соответствии с законом Мура размер элементов микросхем на основе кремния 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 интегрировал 114 миллиардов транзисторов.На рис. 1 показано количество транзисторов в микросхеме с 1970 по 2022 год.

Долгое время при разработке интегральных схем закон Мура разрабатывался в соответствии с законом масштабирования Деннарда.В каждом поколении технологий плотность транзисторов удваивается, а потребляемая мощность транзисторов на единицу площади остается неизменной.Таким образом, удельная мощность чипа остается постоянной.Тем не менее, закон масштабирования Деннарда значительно замедлился с 2007 года. Около 2012 года близок к отказу. Поскольку длина затвора транзистора становится все меньше и меньше в передовом производственном процессе, явление утечки становится все более серьезным, что делает микросхему при производстве меньшей техники энергопотребление не уменьшается, а увеличивается.Это приводит к серьезным проблемам с отводом тепла.На рис. 2 показана тенденция изменения тактовой частоты микросхемы и расчетной тепловой мощности с течением времени.С уменьшением технологических узлов и увеличением тактовой частоты расчетная тепловая мощность чипа увеличивается.

Тепловыделение 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 снижается, 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 прорывы в высокопроизводительных электронных системах все больше зависят от способности безопасно рассеивать избыточное тепло.В частности, отвод тепла чипа все чаще требуется в таких приложениях, как серверы, центры обработки данных и супервычислительные центры, которые работают непрерывно в течение всего года.

В настоящее время высокопроизводительные микросхемы обработки обычно используют форму корпуса Flip Chip (FC).Его структура показана на рис. 3. Путь отвода тепла под чип проходит через материалы с низкой теплопроводностью, такие как наполнители днища и пластины.Нижняя часть чипа имеет высокое тепловое сопротивление, а чип в основном опирается на верхнюю часть конструкции для отвода тепла.Существует три основных тепловых сопротивления на пути отвода тепла над чипом, включая сопротивление теплопроводности от транзистора к корпусу, сопротивление теплопроводности от корпуса к поверхности радиатора, а также сопротивление теплоотвода и конвекционной теплопередачи. внешней среды.Кроме того, для сборки корпуса и радиатора требуется материал термоинтерфейса (TIM) для улучшения пути теплопроводности между шероховатыми поверхностями.Поэтому вводится многослойное тепловое сопротивление.

Самая ранняя конструкция утопленного желоба возникла в результате работы, выполненной DB Tuckerman 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 KOH и сформировали закрытый канал, используя процесс склеивания анодов из кварцевого стекла.Структура микроканала показана на рис. 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 микрофлюидный теплоотвод изучался на параллельных сквозных каналах.Схема оптимизации включает в себя теоретический приближенный анализ, многопараметрическое сканирование, поисковый алгоритм и так далее.Некоторые ученые также изучали разницу между потоковыми и тепловыми характеристиками микрофлюидики и обычных жидкостей, что заложило теоретическую основу для последующего анализа тепловыделения микрофлюидики.

С тех пор ученые предложили множество прерывистых реберных структур для встроенного микрожидкостного охлаждения, в том числе наклонные ребра, микроколонные ребра, треугольные ребра и т. д., а также некоторые специальные ребристые структуры, включая микроканалы формы волны, плавники пираньи и т. д.

Кроме того, чипы большой площади требуют больших потоков для поддержания того же повышения температуры, как показано на рис. 5. По мере увеличения площади чипа источника тепла будет увеличиваться максимальное тепловое сопротивление.При площади источника тепла 1 см2 предельный тепловой поток равен 200 Вт/см2, а при увеличении площади источника тепла до 4 см2 предельный тепловой поток снижается до 100 Вт/см2.Поскольку площадь чипа увеличивается, спойлер не является устойчивым тепловым решением.

Из-за большого расстояния потока жидкости в канале постоянного тока сопротивление потоку, как правило, больше, особенно после добавления других усовершенствованных структур теплопередачи, что приводит к дальнейшему увеличению сопротивления потоку.Кроме того, из-за низкого среднего числа Нуссельта и очевидного повышения температуры жидкости теплоотводящая способность прямого канала может достигать только около 400 Вт/см2.

Чтобы получить оптимальные характеристики рассеивания тепла, последующие ученые провели множество исследований и анализов ключевых размеров структуры микроколонки, включая форму, радиус, положение, количество и другие параметры микроколонки, чтобы оптимизировать характеристики рассеивания тепла. чип.

Рассматриваются два недостатка традиционного проходного сечения: большой перепад давления и значительное повышение температуры по направлению потока.Для уменьшения термического сопротивления, вызванного нагревом охлаждающей среды, необходимо увеличить расход.Поток можно увеличить, увеличив количество параллельных каналов и сократив длину потока без увеличения перепада давления.

Некоторые ученые предложили сверхтонкий радиатор, который может обеспечить эффективное охлаждение в сочетании с режимом охлаждения струйным и коллекторным каналом, как показано на рисунке 6.² радиатор моделируется и оптимизируется.Результаты показывают, что при скорости потока менее 1 л/мин общий перепад давления менее 100 кПа, общее тепловое сопротивление составляет 0,087 К·см.² /Вт, а максимальная холодопроизводительность достигает 750 Вт/см².Разница между температурой на входе и температурой чипа составляет 65 К.

В 2022 году исследовательская группа из Пекинского университета предложила конструкцию коллекторного канала с двойным Н-образным шунтом.Встроенные микрожидкостные охлаждающие чипы были изготовлены методом прямого соединения кремний-кремний.Структура канала показана на рис. 7. Чипы были изготовлены методом прямого соединения кремний-кремний.Структура канала показана на рисунке 7. В 2 x 2 см² в зоне источника тепла с использованием деионизированной воды в качестве охлаждающей рабочей среды было достигнуто эффективное охлаждение мощностью 417 Вт при перепаде давления 35 кПа и расходе 612 мл/мин.Среднее повышение температуры чипа составляет всего 22,2К.Они предложили полуребристую модель для изучения теплообмена в коллекторных каналах с малым отношением глубины к ширине, а также определили эффективность ребер и среднее число Нуссельта, что послужило основой для последующей оптимизации структуры канала.Канал коллектора, 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 самую простую структуру и меньшее количество параметров для оптимизации дизайна.Поэтому на ранней стадии разработки встроенного микрожидкостного охлаждения было проведено относительно полное исследование.Особенно в аспекте оптимизации параметров структуры канала эффективность охлаждения может быть оптимизирована при определенных условиях.Ребристая конструкция в прямом проходе отсоединена 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 большом повышении температуры вдоль направления потока, особенно в мощных чипах большой площади, однородность температуры чипа плохая.

Хотя жидкая структура может эффективно улучшить коэффициент конвективной теплопередачи, трудно увеличить площадь теплопередачи, когда она используется для охлаждения встроенных микросхем.Для достижения более равномерного охлаждения требуется плотная конструкция сопла/рекуператора.Из-за ограниченности производственного процесса и надежности исследований струйной структуры во встроенном охлаждении мало.

Введение коллекторного канала реализует сегментацию встроенного микроканала и сокращает эквивалентную длину потока жидкости.Таким образом, падение давления насоса и мощность насоса снижаются, а коэффициент энергоэффективности охлаждения улучшается.Коллекторный канал может использоваться во встроенной технологии микрофлюидного охлаждения, которая неотделима от разработки технологии обработки МЭМС на основе кремния.Микроканальная структура коллекторного типа преодолевает недостатки, связанные с большим сопротивлением потоку и большим повышением температуры вдоль направления потока при микроканальном охлаждении, поэтому она имеет больше перспектив применения и более широко изучается.

Типичный встроенный микрожидкостная система охлаждения состоит из насоса, встроенного радиатор и теплообменник.При этом насос обеспечивает энергию, необходимую для циркуляции охлаждающего рабочего тела, а встроенный радиатор осуществляет теплообмен от источника тепла к охлаждающему рабочему телу.Для сравнения, теплообменник осуществляет охлаждение охлаждающей среды и обеспечивает надежную циркуляцию системы.Встроенное микрожидкостное охлаждение использует те же насосы и теплообменники, что и обычное жидкостное охлаждение.

С точки зрения теплопередачи существуют различные средства для повышения производительности теплообмена в канале, в том числе изменение шероховатости поверхности, нарушение стабильного развития жидкости, вторичное течение, вибрация и так далее.Тем не менее, некоторые структуры трудно использовать для встроенного охлаждения кремния, например, волнистые микроканавки и другие технологии обработки объемного кремния трудно получить структуру.Поэтому его нельзя использовать во встроенной технике охлаждения.

Во встроенной технологии микрожидкостного охлаждения, представленной в этой статье, нагрев термическим сопротивлением используется для имитации производства тепла микросхемами интегральных схем.Чтобы использовать встроенную технологию микрофлюидного охлаждения в реальных микросхемах ИС, необходимо подготовить встроенные микроканальные структуры в микросхемах ИС.Хотя встроенное микрожидкостное охлаждение работает лучше, чем невстроенное охлаждение.В настоящее время не существует коммерческого встроенного решения для жидкостного охлаждения, потому что встроенная технология охлаждения и упаковки интегральных схем все еще имеет некоторые проблемы совместимости и надежности.

Из-за чувствительности производства микросхем к загрязнению заводы по производству микросхем не принимают процесс MEMS для подготовки каналов рассеивания тепла, а затем для повторной обработки схем устройств.До сих пор вся встроенная технология охлаждения микросхемы заключалась в подготовке устройства радиатора после обработки микросхемы.В соответствии с совместимостью процесса в процессе вторичной обработки следует учитывать совместимость IC по температуре и материалам.Следовательно, нельзя использовать высокотемпературный процесс и материалы, чувствительные к ИС.

По сравнению с традиционными ИС, проблема управления температурным режимом в трехмерных ИС высокой плотности является более серьезной.Основными причинами являются сильная неравномерность энергопотребления в трехмерном пространстве и времени и вытекающий из этого серьезный локальный перегрев.Низкая теплопроводность материалов диэлектрических слоев увеличивает межслойное термическое сопротивление 3D интегрированных микросистем.Эквивалентное тепловое сопротивление от горячей точки до горячего стока значительно увеличивается, если охлаждение существенно не улучшается.Проблема теплового управления трехмерных интегральных схем более серьезна, чем у традиционных двумерных или 2,5-мерных интегральных схем.

Во многих симуляциях содержатся рекомендации и предложения по повышению надежности встроенного микрожидкостного охлаждения для конкретных структур каналов.Однако корреляция всей работы не является сильной, поэтому в настоящее время нет систематического метода проектирования надежности.

Встроенная технология охлаждения является своего рода технология охлаждения который вводит охлаждающую среду в подложку чипа.Его исследуют несколько десятков лет.По сравнению с традиционной технологией удаленного охлаждения, встроенное охлаждение может эффективно снизить сопротивление теплопроводности, избежать теплового сопротивления интерфейса и улучшить эффективность охлаждения.Хотя дизайн канала и схема упаковки повторялись и обновлялись на протяжении многих лет.Также были проведены демонстрации на реальных чипах, демонстрирующие охлаждающую способность технологии.Однако встроенная технология микрожидкостного охлаждения еще не коммерциализирована.В дополнение к факторам стоимости производства, не проанализированным в этой статье, надежность процесса и процесс использования также препятствуют практическому применению встроенного охлаждения.Так что 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 получены значения мощности или удельной мощности, сравнимые со встроенным охлаждением.Таким образом, направление развития технологии жидкостного охлаждения заключается в установке охлаждающей конструкции ближе к области источника тепла.В будущем трехмерная архитектура упаковки станет эффективным способом улучшения интеграции транзисторов.В дополнение к проблемам с питанием системы необходимо также преодолеть межслойное охлаждение чипа.Поэтому необходимо предложить совместную схему проектирования встроенного микрожидкостного охлаждения, которая совместима с миниатюризацией и упаковкой высокой плотности, чтобы оптимизировать стоимость обработки и повысить надежность технологии встроенного микрожидкостного охлаждения.Это будет основным направлением исследований в будущем.