IMEC使用3D列印技術研發出聚合物噴洒式晶元冷卻器，性能和體積均大幅優於傳統方法，為高性能晶元提供更多散熱方案

近日，比利時微電子研究中心（IMEC）——歐洲在納米電子和數字技術領域領先的研究和創新中心之一，宣布研製出低成本噴洒式散熱解決方案並進行首次展示。該冷卻器可用於在封裝級的晶元冷卻，此項成果是滿足不斷增長的高性能3D晶元和系統冷卻需求的又一項重要創新。研究成果如下圖所示。

圖為三維聚合物噴洒式冷卻器

背景需求

高性能電子系統的發展對散熱能力提出越來越高的要求。傳統散熱方式是將熱交換器附著在散熱片上，再將散熱片附著在晶元背面。這些互連均帶有熱界面互連材料（TIM），會產生固定的熱電阻，且無法通過引入更有效的冷卻解決方案來克服。在晶元背面進行直接冷卻會更加有效，但現有的冷卻微通道解決方案會在晶元表面產生一個溫度梯度。

研究目標

理想的晶元冷卻方案是一個帶有分散式冷卻劑出口的噴洒式冷卻器，它在與晶元的互聯中直接施加冷卻液體，然後垂直向晶元表面進行噴射，這可以保證在晶元表面上的所有液體有同樣的溫度，並減少冷卻劑和晶元間的接觸時間。但是，現有噴洒式冷卻器有缺點，或者因為基於硅價格不菲，或者其噴嘴直徑和使用工藝與晶元封裝工藝流程不兼容。

技術進展

IMEC研發出了新的噴洒式晶元冷卻器，首先使用高分子聚合物替代硅來降低製造成本；其次使用高精度立體3D列印製造技術，不僅噴嘴只有300微米，還可通過噴嘴圖形設計的定製化來匹配熱度圖和複雜的內部結構，並降低製造成本和時間。3D聚合物冷卻器的示意圖如下圖所示。

圖為3D聚合物冷卻器的示意圖（a）為橫截面，（b）為頂視圖

性能指標

IMEC的噴洒式冷卻器取得了高冷卻效率。在冷卻劑流速1 l/min下，每100W/cm2面積內晶元溫度增加不超過15℃。其另一優勢是，通過靈巧的的內部設計，單個液滴所施加壓力低至0.3bar。這些性能指標超越了傳統冷卻解決方案的標準值。在傳統解決方案中，單是熱介面材料就可以引起20-50℃溫度的升高。除了高效和低成本製造優勢外，IMEC解決方案的尺寸要遠小於現有解決方案，更好地匹配晶元封裝的尺寸，支持晶元封裝的減小和更高效的冷卻。傳統散熱方式、微通道散熱和此次研究成果間在尺寸和散熱效果上的比較如下圖所示。

圖為不同散熱方式間尺寸和性能的對比

自評

IMEC的資深工程師Herman Oprins說：「我們新的噴洒式晶元冷卻器實際上是一個3D列印的淋浴噴頭，能夠將冷卻液體直接噴到裸片表面。3D列印支持面向特定應用的設計，而不是使用標準的設計。」

參考文獻

T.-W. Wei, H. Oprins, V. Cherman, et al., High efficiency direct liquid jet impingement cooling of high power devices using a 3D-shaped polymer cooler， IEDM 2017.

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