隨著電子裝置變得越來越小、密度越來越高，它們也變得越來越熱。它們的元件在高溫下無法發揮最佳功能，因此，處理電子在這些不斷縮小的物品中的半導體中流動時產生的不斷升級的熱量，是一項巨大且日益緊迫的技術挑戰。
有多種冷卻元件的方法，從簡單的風扇冷卻熱交換器到更緊湊和複雜的系統。後者之一包括為半導體晶片配備一個微型裝置，該裝置具有貫穿其中的流體微通道，以帶走熱量。這些通道必須儘可能小，以便在單個晶片上容納更多通道。但是，通道越小，液體流動所需的壓力就越大——而這種壓力可能需要大量能量。
現在，洛桑瑞士聯邦理工學院 (EPFL) 的科學家表示，他們開發了一種新技術，使此類系統更節能。在這種新穎的方法中，微通道網路——其結構設計靈感來自人體迴圈系統——構建在半導體內部，而不是事後附加到半導體上。研究結果於週三發表在《自然》雜誌上。
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EPFL 電氣工程學院的教授 Elison Matioli 和他的同事使用了一種晶片，該晶片包含一層稱為氮化鎵或 GaN 的半導體材料薄層，覆蓋在較厚的矽襯底之上。在普通的晶片中，該襯底僅支撐 GaN 層。但在新系統中，微通道雕刻在襯底內部，並定位為與晶片中最容易發熱的部分完全對齊。
為了解決將水或其他冷卻液泵送透過微小通道所需的高能量問題，研究人員設計了一個由更寬通道組成的分配網路，該網路僅在熱量集中的精確位置變窄。這種佈置大大減少了所需的總能量。
“這就像人體迴圈系統，它由較大的血管組成，這些血管僅在身體的某些區域變細，轉變為毛細血管，”Matioli 說。實驗——其中一些實驗不得不在 COVID-19 大流行關閉電氣工程學院的設施後，在一個研究人員的公寓裡建造的實驗室中進行——表明，該系統的效能係數（衡量其效率）比另一種使用均勻寬度微通道且未整合在半導體內的冷卻技術高 50 倍。
該方法的主要突破是創新的製造方法，該方法在單個製造過程中集成了電子和冷卻結構，該論文的同行評審員之一、比利時校際微電子中心和 KU Leuven 的研究員 Tiwei Wei 說。他補充說，這種整合有助於使微通道更靠近特定的過熱區域，從而更有效地降溫。
“這是一篇重要的論文，因為它彌合了兩個社群之間的差距：電力電子社群和電子冷卻社群。目前，大多數研究都將它們分開對待，”德克薩斯大學達拉斯分校機械工程系助理教授 Xianming (Simon) Dai 說，他沒有參與這項研究。
熱工程通常是事後才考慮的事情，僅在電氣系統設計完成後才考慮。但伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校機械科學與工程學教授兼 Ralph A. Andersen 捐贈主席 William King 指出，一些研究小組已開始考慮電子和冷卻解決方案協同設計的概念。“這篇論文展示了一個重要的貢獻，真正展示了什麼是可能的，”同樣沒有參與這篇新論文的 King 說。
Wei 認為，該研究的侷限性之一是它將創新的冷卻解決方案應用於相對簡單的測試案例。“未來的方向是將該概念應用於最先進的轉換器設計，”他說，並補充說，他對微通道頂部的薄 GaN 層的結構完整性也有疑問。“我擔心的是，從長遠來看，流經裝置下方通道的液體可能會導致應力，從而影響裝置。”
King 說，這項研究的下一步應該是證明可以在其他材料中使用微流體冷卻通道，並探索更先進的三維幾何形狀的可能性。“隨著這個概念的成熟，”他說，“我相信這些設計將越來越像人體迴圈系統中的毛細血管網路，其中大通道與分支結構中的小通道相連。”
King 指出，熱管理是所有型別電子裝置（尤其是混合動力汽車和電動汽車、電網和通訊中使用的電力電子裝置）的主要限制。
“原則上，這項技術可以用於所有型別的電子裝置：例如，冷卻計算機晶片或在太陽能電池板或電動汽車等可能具有高功率密度的應用中，”Matioli 說。他補充說，但這不太可能為所有電子裝置提供實用的解決方案，因為在某些應用中，不希望液體在電子部件內部迴圈。
Matioli 認為這項技術在資料中心方面具有巨大潛力，資料中心消耗大量能源——其中大部分用於冷卻系統。他說，僅美國所有資料中心加起來消耗的電力和水量就堪比費城這樣城市的居民需求。平均而言，資料中心使用的能源中有 30% 用於冷卻。他的團隊的論文認為，透過採用新方法，這項支出可能會大幅下降。