Chip-integrierte Mikrofluid-Kühltechnologie für großflächige Verarbeitung

Seit die integrierte Halbleiterschaltung Ende der 1950er Jahre aufkam, hat sie sich schnell in Richtung kleiner Größe, hoher Geschwindigkeit und hoher Speicherkapazität entwickelt.Unter der Führung des Mooreschen Gesetzes wird die Strukturgröße siliziumbasierter Chips kontinuierlich reduziert und die Anzahl der Transistoren stetig erhöht.Im Jahr 2020 erreichte TSMC die minimale Chip-Feature-Größe von 5 nm in der Massenproduktion, und im Jahr 2022 integrierte der M1 Ultra-Chip von Apple 114 Milliarden Transistoren.Abbildung 1 zeigt die Anzahl der Transistoren in einem Chip von 1970 bis 2022.

Lange Zeit wurde in der Entwicklung von integrierten Schaltungen das Moore'sche Gesetz in Übereinstimmung mit dem Dennard'schen Skalierungsgesetz entwickelt.In jeder Technologiegeneration verdoppelt sich die Transistordichte und die Transistorleistungsaufnahme pro Flächeneinheit bleibt konstant.Somit bleibt die Leistungsdichte des Chips konstant.Allerdings hat sich Dennards Skalierungsgesetz seit 2007 erheblich verlangsamt. Nahezu-Ausfall um 2012. Da die Gate-Länge des Transistors im fortgeschrittenen Herstellungsprozess immer kleiner wird, wird das Leckagephänomen immer schwerwiegender, wodurch der Chip in die Produktion kleinerer Technik wird der Stromverbrauch nicht reduziert, sondern erhöht.Dies bringt ernsthafte Wärmeableitungsprobleme mit sich.Abbildung 2 zeigt den Entwicklungstrend der Chip-Taktfrequenz und des Thermal Design Power Value über die Zeit.Mit der Reduzierung von Prozessknoten und der Erhöhung der Taktfrequenz steigt die thermische Designleistung des Chips.

Die Wärmeableitung ist entscheidend für die Chipleistung und -zuverlässigkeit.Wenn die Wärme nicht effektiv abgeführt werden kann, steigt die Chiptemperatur weiter an, was zu einer Erhöhung des Leckstroms des Geräts führt.Die Schwellenspannung nimmt ab, was die Chipleistung beeinflusst.Mit steigender Temperatur steigt die Ausfallrate von elektronischen Bauteilen und Geräten exponentiell an.Die Stabilität und Zuverlässigkeit elektronischer Geräte wird stark von der Temperatur beeinflusst, daher hängen Durchbrüche bei elektronischen Hochleistungssystemen zunehmend von der Fähigkeit ab, überschüssige Wärme sicher abzuleiten.Insbesondere in Anwendungen wie Servern, Rechenzentren und Supercomputing-Zentren, die das ganze Jahr über kontinuierlich arbeiten, wird zunehmend eine Chip-Wärmeableitung benötigt.

Gegenwärtig verwenden Hochleistungs-Verarbeitungschips im Allgemeinen die Gehäuseform Flip Chip (FC).Seine Struktur ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Wärmeableitungspfad unter dem Chip verläuft durch Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit wie Bodenfüller und Platten.Der untere Teil des Chips hat einen hohen Wärmewiderstand, und der Chip verlässt sich hauptsächlich auf den oberen Teil der Struktur zur Wärmeableitung.Es gibt drei Hauptwärmewiderstände im Wärmeableitungspfad über dem Chip, einschließlich des Wärmeleitwiderstands vom Transistor zum Gehäuse, des Wärmeleitwiderstands vom Gehäuse zur Kühlkörperoberfläche und des Kühlkörpers und des Konvektionswärmeübertragungswiderstands der äußeren Umgebung.Darüber hinaus erfordert die Montage von Gehäuse und Kühlkörper Thermal Interface Material (TIM), um den Wärmeleitungspfad zwischen rauen Oberflächen zu verbessern.Daher wird ein thermischer Widerstand an mehreren Schnittstellen eingeführt.

Das früheste vertiefte Läuferdesign stammt aus Arbeiten von DB Tuckerman und RFW Pease aus dem Jahr 1981. Um den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten zu erhöhen, reduzierten sie die Kanalbreite auf 50 µm, korrodierten die Siliziumrille mit spezifischer Kristallorientierung mit KOH und bildeten einen geschlossenen Kanal unter Verwendung des Silica-Glas-Anoden-Bonding-Prozesses.Die Mikrokanalstruktur ist in Abbildung 4 dargestellt. Bei einer Durchflussrate von 600 ml/min und einem Druckabfall von 216 kPa wurde entionisiertes Wasser als Kühlmittel verwendet, um den Chip mit einer Fläche von 1 × 1 cm2 zu kühlen.Der maximale Wärmefluss der Wärmequelle erreicht 790 W/cm2.Der Wärmewiderstand beträgt etwa 0,1 K·cm 2 /W.

Aufgrund der einfachen Struktur von Durchgangskanälen wurde der frühe eingebettete mikrofluidische Kühlkörper an parallelen Durchgangskanälen untersucht.Das Optimierungsschema umfasst eine theoretische Annäherungsanalyse, ein Multiparameter-Scannen, einen Suchalgorithmus und so weiter.Einige Wissenschaftler untersuchten auch den Unterschied zwischen den Strömungs- und Wärmeeigenschaften von Mikrofluidik und herkömmlichen Flüssigkeiten, wodurch eine theoretische Grundlage für die nachfolgende Analyse der Wärmeableitung von Mikrofluidik gelegt wurde.

Seitdem haben Wissenschaftler eine Vielzahl diskontinuierlicher Rippenstrukturen für die eingebettete Mikrofluidkühlung vorgeschlagen, einschließlich geneigter Rippen, Mikrosäulenrippen, dreieckiger Rippen usw. sowie einige spezielle Rippenstrukturen, einschließlich wellenförmiger Mikrokanäle, Piranha-Rippen usw.

Darüber hinaus erfordern großflächige Chips größere Strömungen, um den gleichen Temperaturanstieg aufrechtzuerhalten, wie in Abbildung 5 gezeigt. Wenn die Fläche des Wärmequellenchips zunimmt, steigt der maximale Wärmewiderstand.Wenn die Wärmequellenfläche 1 cm2 beträgt, beträgt der Grenzwärmefluss 200 W/cm2, und wenn die Wärmequellenfläche auf 4 cm2 vergrößert wird, sinkt der Grenzwärmefluss auf 100 W/cm2.Da die Chipfläche zunimmt, ist der Spoiler keine nachhaltige thermische Designlösung.

Aufgrund der langen Strömungsstrecke des Fluids im DC-Kanal ist der Strömungswiderstand im Allgemeinen größer, insbesondere nach dem Hinzufügen anderer verbesserter Wärmeübertragungsstrukturen, was zu einer weiteren Erhöhung des Strömungswiderstands führt.Außerdem kann die Wärmeableitungskapazität des geraden Kanals aufgrund der niedrigen durchschnittlichen Nusselt-Zahl und der offensichtlichen Temperaturerhöhung des Fluids nur etwa 400 W/cm2 erreichen.

Um die optimale Wärmeableitungsleistung zu erhalten, führten nachfolgende Gelehrte viele Untersuchungen und Analysen zu den Schlüsseldimensionen der Mikrosäulenstruktur durch, einschließlich Form, Radius, Position, Anzahl und anderer Parameter der Mikrosäule, um die Wärmeableitungsleistung zu optimieren der Chip.

Zwei Mängel des herkömmlichen Durchgangs werden betrachtet: großer Druckabfall und signifikanter Temperaturanstieg entlang der Strömungsrichtung.Um den durch die Erwärmung des Kühlmediums verursachten thermischen Widerstand zu reduzieren, ist es notwendig, die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen.Der Durchfluss kann erhöht werden, indem die Anzahl der parallelen Kanäle erhöht und die Durchflusslänge verkürzt wird, ohne den Druckabfall zu erhöhen.

Einige Wissenschaftler haben einen ultradünnen Kühler vorgeschlagen, der eine effiziente Kühlung realisieren kann, kombiniert mit dem Kühlmodus von Strahl und Verteilerkanal, wie in Abbildung 6 gezeigt. Der 2 × 2 cm² Heizkörper simuliert und optimiert.Die Ergebnisse zeigen, dass bei einer Durchflussrate von weniger als 1 l/min der Gesamtdruckabfall weniger als 100 kPa beträgt und der Gesamtwärmewiderstand 0,087 K·cm beträgt² /W, und die maximale Kühlleistung erreicht 750 W/cm².Die Differenz zwischen Eintrittstemperatur und Chiptemperatur beträgt 65 K.

Im Jahr 2022 schlug eine Forschungsgruppe der Universität Peking ein Doppel-H-Shunt-Verteilerkanaldesign vor.Eingebettete mikrofluidische Kühlchips wurden durch ein Silizium-Silizium-Direktverbindungsverfahren hergestellt.Die Kanalstruktur ist in Fig. 7 gezeigt. Die Chips wurden durch ein Silizium-Silizium-Direktbondverfahren hergestellt.Die Kanalstruktur ist in Abbildung 7 dargestellt. In einem 2 x 2 cm² Wärmequellenbereich unter Verwendung von deionisiertem Wasser als Kühlarbeitsmedium wurde die effektive Kühlung von 417 W unter den Bedingungen eines Druckabfalls von 35 kPa und einer Strömung von 612 ml/min erreicht.Der durchschnittliche Temperaturanstieg des Chips beträgt nur 22,2 K.Sie schlugen ein Halbrippenmodell vor, um die Wärmeübertragung in Verteilerkanälen mit geringem Tiefen-Seitenverhältnis zu untersuchen, und lösten die Rippeneffizienz und die durchschnittliche Nusselt-Zahl, die eine Grundlage für die anschließende Optimierung der Kanalstruktur lieferten.Der Verteilerkanal und der Einlass und Auslass der Struktur befinden sich im Bereich des Wärmequellenchips, der das kompakte Kühlschema realisieren kann und besser für die eingebettete Kühlung eines großflächigen Chips geeignet ist.

Die gerade Passage hat die einfachste Struktur und weniger Parameter für ein Optimierungsdesign.Daher wurde in der frühen Phase der Entwicklung der eingebetteten Mikrofluidkühlung eine relativ vollständige Studie durchgeführt.Insbesondere unter dem Aspekt der Parameteroptimierung der Kanalstruktur kann die Kühlleistung unter bestimmten Bedingungen optimiert werden.Die Rippenstruktur in der geraden Passage ist getrennt und in verschiedenen Formen gestaltet, um die Funktion der Spoiler-Mikrosäule zu realisieren.Aufgrund der Beschädigung der stabilen Entwicklung der Fluidgrenzschicht wird die kinetische Energie des Fluids verbraucht, sodass der Fluiddruckabfall in der Struktur groß ist.Beide Kanalstrukturen haben den Nachteil eines großen Temperaturanstiegs entlang der Strömungsrichtung, insbesondere bei großflächigen Hochleistungschips ist die Temperaturgleichmäßigkeit des Chips schlecht.

Obwohl die Fluidstruktur den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten effektiv verbessern kann, ist es schwierig, die Wärmeübertragungsfläche zu erweitern, wenn sie zum Kühlen eingebetteter Chips verwendet wird.Um eine gleichmäßigere Kühlung zu erreichen, ist eine dichte Düsen-/Rückgewinnungsstruktur erforderlich.Aufgrund der Einschränkungen des Herstellungsprozesses und der Zuverlässigkeit gibt es nur wenige Untersuchungen zur Strahlstruktur in der eingebetteten Kühlung.

Die Einführung des Verteilerkanals realisiert die Segmentierung des eingebetteten Mikrokanals und unterstützt die äquivalente Strömungslänge des Fluids.Daher werden der Pumpendruckabfall und die Pumpenleistung reduziert und das Kühlenergieeffizienzverhältnis wird verbessert.Der Verteilerkanal kann in der eingebetteten mikrofluidischen Kühltechnologie verwendet werden, die untrennbar mit der Entwicklung der siliziumbasierten MEMS-Verarbeitungstechnologie verbunden ist.Die Mikrokanalstruktur vom Verteilertyp überwindet die Nachteile des großen Strömungswiderstands und des großen Temperaturanstiegs entlang der Strömungsrichtung bei der Mikrokanalkühlung, so dass sie mehr Anwendungsaussichten hat und umfassender untersucht wurde.

Das typische eingebettet Mikrofluid-Kühlsystem besteht aus Pumpe, eingebettet Kühlkörper und Wärmetauscher.Dabei stellt die Pumpe die für die Zirkulation des Kühlarbeitsmediums benötigte Energie bereit und die eingebettete Wärmesenke realisiert den Wärmeaustausch von der Wärmequelle zum Kühlarbeitsmedium.Vergleichsweise realisiert der Wärmetauscher die Kühlung des Kühlmediums und sorgt für die zuverlässige Zirkulation des Systems.Die eingebettete mikrofluidische Kühlung verwendet die gleichen Pumpen und Wärmetauscher wie die herkömmliche Flüssigkeitskühlung.

In Bezug auf die Wärmeübertragung gibt es eine Vielzahl von Mitteln, um die Leistung der Wärmeübertragung im Kanal zu verbessern, einschließlich der Änderung der Oberflächenrauheit, der Zerstörung der stabilen Entwicklung des Fluids, der Sekundärströmung, der Vibration und so weiter.Einige der Strukturen sind jedoch schwierig für die Kühlung von eingebettetem Silizium zu verwenden, wie z. B. wellenförmige Mikrorillen, und andere Bulk-Silizium-Verarbeitungstechnologien sind schwierig, die Struktur zu erreichen.Daher kann es nicht in der eingebetteten Kühltechnologie verwendet werden.

Bei der in diesem Artikel vorgestellten eingebetteten Mikrofluid-Kühltechnologie wird eine thermische Widerstandsheizung verwendet, um die Wärmeerzeugung von IC-Chips zu simulieren.Um eingebettete mikrofluidische Kühltechnologie in tatsächlichen IC-Chips zu verwenden, ist es notwendig, eingebettete Mikrokanalstrukturen in IC-Chips vorzubereiten.Obwohl die eingebettete mikrofluidische Kühlung eine bessere Leistung als die nicht eingebettete Kühlung erbringt.Gegenwärtig gibt es keine kommerzielle eingebettete Flüssigkeitskühlungslösung, da die eingebettete Kühlungsverarbeitungs- und Verpackungstechnologie von IC-Chips immer noch einige Kompatibilitäts- und Zuverlässigkeitsprobleme aufweist.

Aufgrund der Verschmutzungsempfindlichkeit der Chipherstellung akzeptieren Chipgießereien den MEMS-Prozess nicht, um wärmeableitende Kanäle vorzubereiten und dann Schaltungen von Bauelementen wiederzuverarbeiten.Bisher besteht die gesamte IC-Chip-Embedded-Cooling-Technologie darin, die Kühlkörpervorrichtung nach der Chip-Verarbeitung vorzubereiten.Entsprechend der Prozesskompatibilität sollte die IC-Kompatibilität von Temperatur und Materialien im Prozess der Sekundärverarbeitung berücksichtigt werden.Daher können Hochtemperaturprozesse und IC-empfindliche Materialien nicht verwendet werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen ICs ist das Wärmemanagementproblem bei 3D-ICs mit hoher Dichte signifikanter.Die Hauptgründe sind die stark ungleichmäßige Leistungsaufnahme in 3D-Raum und -Zeit und die daraus resultierende starke lokale Überhitzung.Die geringe Wärmeleitfähigkeit von dielektrischen Schichtmaterialien erhöht den Wärmewiderstand zwischen den Schichten von 3D-integrierten Mikrosystemen.Der äquivalente Wärmewiderstand von Hot Spot zu Hot Sink wird stark erhöht, wenn die Kühlung nicht wesentlich verbessert wird.Das Wärmemanagementproblem von integrierten 3D-Schaltungen ist schwerwiegender als das von herkömmlichen integrierten 2D- oder 2,5D-Schaltungen.

Viele Simulationen bieten Anleitungen und Vorschläge zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der eingebetteten mikrofluidischen Kühlung für spezifische Kanalstrukturen.Die Korrelation aller Arbeiten ist jedoch nicht stark, sodass es derzeit keine systematische Zuverlässigkeitsentwurfsmethode gibt.

Eingebettete Kühltechnologie ist eine Art von Kühltechnik das Kühlmedium in das Chipsubstrat einführt.Es wird seit mehreren Jahrzehnten erforscht.Im Vergleich zur herkömmlichen Fernkühlungstechnologie kann die eingebettete Kühlung den Wärmeleitwiderstand effektiv reduzieren, den Wärmewiderstand der Schnittstelle vermeiden und die Kühlleistung verbessern.Obwohl das Kanaldesign und das Verpackungsschema im Laufe der Jahre wiederholt und aktualisiert wurden.Es gab auch Demonstrationen in echten Chips, die die Kühlleistung der Technologie demonstrierten.Die eingebettete Mikrofluid-Kühltechnologie wurde jedoch noch nicht kommerzialisiert.Neben den in diesem Beitrag nicht analysierten Herstellungskostenfaktoren steht auch die Zuverlässigkeit des Prozesses und des Nutzungsprozesses der praktischen Anwendung der eingebetteten Kühlung im Wege.Daher ist die Fernkühlung vorerst immer noch die primäre Lösung sowohl im kommerziellen als auch im militärischen Bereich.

Eingebettete Kühlung hat ein höheres Energieeffizienzverhältnis, obwohl einige Studien zu nicht eingebetteter Kühlung Leistungs- oder Leistungsdichtewerte erreicht haben, die mit eingebetteter Kühlung vergleichbar sind.Daher besteht die Entwicklungsrichtung der Flüssigkeitskühltechnologie darin, die Kühlstruktur näher an den Wärmequellenbereich anzuordnen.In Zukunft ist die 3D-Packaging-Architektur ein effektiver Weg, um die Transistorintegration zu verbessern.Neben den Leistungsproblemen des Systems muss auch die Zwischenschichtkühlung des Chips überwunden werden.Daher ist es notwendig, ein kooperatives Designschema für die Kühlung eingebetteter Mikrofluide vorzuschlagen, das mit der Miniaturisierung und Verpackung mit hoher Dichte kompatibel ist, um die Verarbeitungskosten zu optimieren und die Zuverlässigkeit der Technologie der eingebetteten Mikrofluidkühlung zu verbessern.Dies wird die zentrale Forschungsrichtung der Zukunft sein.