散热的关键在于如何有效地处理电子器件产生的高热流量。通常，电子器件的电子技术(电气工程师设计)和冷却系统(机械工程师设计)是各自独立完成的。
近期，洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员发明了全新的设计过程，将这两个设计步骤结合在一起：他们开发了一种集成微流体冷却技术的电子器件，能够有效散去晶体管产生的大量热。相关研究成果以“Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling”为题，发表于Nature期刊。
人们以往研究的重点放在改善电子器件热区和冷却剂之间的热路径上。但器件的散热性能从根本上受到半导体模具和封装导致的热阻限制。另外，大型散热器的使用会降低器件的功率密度，占据空间大不利于器件的集成化。
使冷却剂与器件直接接触是克服上述限制因素的一种有效方法。比如直接在器件内部蚀刻微米尺寸通道，把衬底变成散热片，此技术由于在微尺度上的高效传热，展示了最先进的冷却性能。虽然人们对微通道散热器进行了大量研究，但冷却剂输送所需的多层结构导致的复杂性和相关可靠性阻碍了微通道在商业电子器件中的应用。
本文的研究者们提出了一种具有流形微通道(mMMC)散热器的单片集成器件，器件的设计和散热片的制造可以同步实现，冷却通道直接嵌入在芯片的活动区域下方，冷却剂直接接触热源，提供准确和高效的散热。
微流体冷却的电子器件示意图
顶端的外延层提供电子功能，底端硅作为冷却流体通道，冷却剂在微通道内流动可带走器件的热量。
微流-电子协同设计器件实物图及微流体冷却示意图
由于顶部电子部分和底部微流体冷却部分是完全耦合、同步制造，因此称这种设计方法为微流-电子协同设计。
冷却效果对比
研究人员利用去离子水作为冷却剂，通过热阻、水压变化、冷却效果（cooling coefficient of performance， COP）等参数的比较，对微流-电子器件进行了热量-液压分析，证明器件相较于其他结构设计具有高效-节能的冷却效果。
嵌入式微流体冷却交流-直流转换器
研究者们在单个GaN-on-Si器件上集成一个全桥整流器，制作了内冷却功率集成电路，用于展示半导体器件内嵌冷却的潜力。设计内置冷却剂输送通道的三层印刷电路板（PCB）结构，用于引导冷却剂进入器件，三层印刷电路板冷却结构，保证充分散热，整个器件尺寸只有U盘大小，十分节省空间和能源。
本文提出了一种用于高效散热的微流体-电子协同设计方法，将无源硅衬底从低成本载体转变为高性能散热器，并在GaN-on-Si电源器件上进行了演示，散热效果良好。据研究人员预期，采用这种设计方法，美国数据中心用于冷却的额外能耗有可能由原来的超过30%降至0.01%以下，有助于解决未来各种电子产品应用中的关键挑战。
原文信息：
Remco van Erp, Reza Soleimanzadeh, Luca Nela, Georgios Kampitsis & Elison Matioli. Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling. Nature 585, 211–216 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2666-1 信息来源：ittbank
