شريحة معالجة كبيرة المساحة تقنية تبريد سائل صغير مدمجة

منذ ظهور الدائرة المتكاملة لأشباه الموصلات في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي ، كانت تتطور بسرعة في اتجاه الحجم الصغير والسرعة العالية والذاكرة العالية.بتوجيه من قانون مور ، يتم تقليل حجم ميزة الرقائق القائمة على السيليكون باستمرار ويزداد عدد الترانزستورات باستمرار.في عام 2020 ، حققت TSMC الحد الأدنى لحجم ميزة الرقاقة البالغ 5 نانومتر في الإنتاج الضخم ، وفي عام 2022 ، دمجت شريحة M1 Ultra من Apple 114 مليار ترانزستور.يوضح الشكل 1 عدد الترانزستورات في رقاقة من 1970 إلى 2022.

لفترة طويلة في تطوير الدوائر المتكاملة ، تم تطوير قانون مور وفقًا لقانون التوسع في Dennard.في كل جيل من جيل التكنولوجيا ، تتضاعف كثافة الترانزستور ويظل استهلاك طاقة الترانزستور لكل وحدة مساحة ثابتًا.وبالتالي ، تظل كثافة طاقة الرقاقة ثابتة.ومع ذلك ، فقد تباطأ قانون Dennard للتوسع بشكل كبير منذ عام 2007. وقرب الفشل في حوالي عام 2012. نظرًا لأن طول بوابة الترانزستور أصبح أصغر وأصغر في عملية التصنيع المتقدمة ، فإن ظاهرة التسرب تزداد خطورة ، مما يجعل الشريحة في إنتاج تكنولوجيا أصغر ، لا يتم تقليل استهلاك الطاقة بل زيادتها.هذا يسبب مشاكل خطيرة في تبديد الحرارة.يوضح الشكل 2 اتجاه التطور لتردد ساعة الرقاقة وقيمة طاقة التصميم الحراري بمرور الوقت.مع تقليل عقد العملية وزيادة تردد الساعة ، تزداد قوة التصميم الحراري للرقاقة.

يعد تبديد الحرارة أمرًا بالغ الأهمية لأداء وموثوقية الرقاقة.إذا تعذر تبديد الحرارة بشكل فعال ، ستستمر درجة حرارة الرقاقة في الارتفاع ، مما يؤدي إلى زيادة تيار التسرب للجهاز.ينخفض ​​جهد العتبة ، مما يؤثر على أداء الرقاقة.مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد معدل فشل المكونات والمعدات الإلكترونية بشكل كبير.يتأثر استقرار وموثوقية الأجهزة الإلكترونية بشدة بدرجات الحرارة ، لذلك تعتمد الاختراقات في الأنظمة الإلكترونية عالية الأداء بشكل متزايد على القدرة على تبديد الحرارة الزائدة بأمان.على وجه الخصوص ، هناك حاجة متزايدة لتبديد الحرارة الرقاقة في تطبيقات مثل الخوادم ومراكز البيانات ومراكز الحوسبة الفائقة التي تعمل بشكل مستمر طوال العام.

في الوقت الحاضر ، تستخدم رقائق المعالجة عالية الأداء بشكل عام نموذج حزمة Flip Chip (FC).يظهر هيكلها في الشكل 3. يمر مسار تبديد الحرارة تحت الرقاقة من خلال مواد منخفضة التوصيل الحراري مثل حشو القاع والألواح.يتميز الجزء السفلي من الرقاقة بمقاومة حرارية عالية ، وتعتمد الشريحة بشكل أساسي على الجزء العلوي من الهيكل لتبديد الحرارة.توجد ثلاثة مقاومة حرارية رئيسية في مسار تبديد الحرارة فوق الشريحة ، بما في ذلك مقاومة التوصيل الحراري من الترانزستور إلى الغلاف ، ومقاومة التوصيل الحراري من الغلاف إلى سطح المشتت الحراري ، والمشتت الحراري ومقاومة انتقال الحرارة بالحمل الحراري من البيئة الخارجية.علاوة على ذلك ، يتطلب تجميع الغلاف والمشتت الحراري مادة الواجهة الحرارية (TIM) لتحسين مسار التوصيل الحراري بين الأسطح الخشنة.لذلك ، يتم تقديم مقاومة حرارية متعددة للواجهة.

ينبع تصميم العداء المريح الأقدم من العمل الذي قام به DB Tuckerman و RFW Pease في عام 1981. من أجل زيادة معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري ، قاموا بتقليل عرض القناة إلى 50 ميكرومتر ، مما أدى إلى تآكل أخدود السيليكون بتوجيه بلوري محدد باستخدام KOH ، و شكلت قناة مغلقة باستخدام عملية ربط أنود زجاج السيليكا.يظهر هيكل القناة الصغيرة في الشكل 4. عندما كان معدل التدفق 600 مل / دقيقة وكان انخفاض الضغط 216 كيلو باسكال ، تم استخدام الماء منزوع الأيونات كمبرد لتبريد الرقاقة بمساحة 1 × 1 سم 2.يصل الحد الأقصى لتدفق الحرارة لمصدر الحرارة إلى 790 واط / سم 2.المقاومة الحرارية حوالي 0.1 K · cm 2 / W.

نظرًا للهيكل البسيط للقنوات عبر ، تمت دراسة المشتت الحراري الموائع الدقيق المضمن في وقت مبكر على قنوات عبر متوازية.يتضمن مخطط التحسين التحليل النظري التقريبي والمسح متعدد المعلمات وخوارزمية البحث وما إلى ذلك.درس بعض العلماء أيضًا الاختلاف بين خصائص التدفق والخصائص الحرارية للموائع الدقيقة والسوائل التقليدية ، مما وضع أساسًا نظريًا لتحليل متابعة تبديد الحرارة للموائع الدقيقة.

منذ ذلك الحين ، اقترح العلماء مجموعة متنوعة من هياكل الزعانف غير المستمرة لتبريد الموائع الدقيقة المضمنة ، بما في ذلك الزعانف المائلة ، وزعانف العمود الصغير ، والزعانف المثلثة ، وما إلى ذلك ، بالإضافة إلى بعض هياكل الزعانف الخاصة ، بما في ذلك القنوات الصغيرة ذات الشكل الموجي ، وزعانف سمكة البيرانا ، إلخ.

بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب رقائق المساحة الكبيرة تدفقات أكبر للحفاظ على نفس ارتفاع درجة الحرارة ، كما هو موضح في الشكل 5. مع زيادة مساحة رقاقة مصدر الحرارة ، ستزداد المقاومة الحرارية القصوى.عندما تكون مساحة مصدر الحرارة 1 سم 2 ، يكون الحد من تدفق الحرارة 200 واط / سم 2 ، وعندما تزداد مساحة مصدر الحرارة إلى 4 سم 2 ، ينخفض ​​الحد من تدفق الحرارة إلى 100 واط / سم 2.مع زيادة مساحة الرقاقة ، لا يعد المفسد حلاً للتصميم الحراري المستدام.

نظرًا لمسافة التدفق الطويلة للسائل في قناة التيار المستمر ، تكون مقاومة التدفق أكبر بشكل عام ، خاصة بعد إضافة هياكل نقل الحرارة المحسّنة الأخرى ، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة التدفق.بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لانخفاض متوسط ​​عدد نسلت والارتفاع الواضح في درجة حرارة السائل ، فإن قدرة تبديد الحرارة للقناة المستقيمة يمكن أن تصل فقط إلى حوالي 400 وات / سم 2.

من أجل الحصول على الأداء الأمثل لتبديد الحرارة ، أجرى العلماء اللاحقون الكثير من البحث والتحليل حول الأبعاد الرئيسية لهيكل العمود الصغير ، بما في ذلك الشكل ونصف القطر والموضع والعدد والمعلمات الأخرى للعمود الصغير لتحسين أداء تبديد الحرارة رقاقة.

يتم النظر في عيبين في الممر التقليدي: انخفاض كبير في الضغط وارتفاع كبير في درجة الحرارة على طول اتجاه التدفق.من أجل تقليل المقاومة الحرارية الناتجة عن تسخين وسط التبريد ، من الضروري زيادة معدل التدفق.يمكن زيادة التدفق عن طريق زيادة عدد القنوات المتوازية وتقصير طول التدفق دون زيادة انخفاض الضغط.

اقترح بعض العلماء مشعًا رقيقًا للغاية يمكنه تحقيق التبريد الفعال ، جنبًا إلى جنب مع وضع التبريد للقناة النفاثة والمتشعبة ، كما هو موضح في الشكل 6. 2 × 2 سم² يتم محاكاة المبرد وتحسينه.أظهرت النتائج أنه عندما يكون معدل التدفق أقل من 1 لتر / دقيقة ، يكون انخفاض الضغط الكلي أقل من 100 كيلو باسكال ، وتكون المقاومة الحرارية الكلية 0.087 ك · سم.² / واط ، وقدرة التبريد القصوى تصل إلى 750 وات / سم².الفرق بين درجة حرارة المدخل ودرجة حرارة الرقاقة هو 65 ك.

في عام 2022 ، اقترحت مجموعة بحثية من جامعة بكين تصميم قناة متعددة H-shunt مزدوجة.تم تحضير رقائق التبريد الموائع الدقيقة المدمجة بواسطة عملية الترابط المباشر بين السيليكون والسيليكون.يظهر هيكل القناة في الشكل 7. تم تحضير الرقائق بواسطة عملية الترابط المباشر بين السيليكون والسيليكون.يظهر هيكل القناة في الشكل 7. في 2 × 2 سم² منطقة مصدر الحرارة ، باستخدام الماء منزوع الأيونات كوسيط عمل للتبريد ، تم تحقيق التبريد الفعال بمقدار 417 واط في ظل ظروف انخفاض ضغط 35 كيلو باسكال وتدفق 612 مل / دقيقة.يبلغ متوسط ​​ارتفاع درجة حرارة الرقاقة 22.2 كلفن فقط.لقد اقترحوا نموذجًا نصف زعنفة لدراسة انتقال الحرارة في القنوات المتشعبة ذات نسبة العرض إلى الارتفاع المنخفضة ، وكفاءة الزعانف التي تم حلها ومتوسط ​​عدد نسلت ، مما وفر أساسًا للتحسين اللاحق لهيكل القناة.توجد القناة المتشعبة ومدخل ومخرج الهيكل في منطقة شريحة مصدر الحرارة ، والتي يمكن أن تحقق مخطط التبريد المضغوط ، وهي أكثر ملاءمة للتبريد المدمج لشريحة مساحة كبيرة.

يحتوي الممر المستقيم على أبسط بنية وعدد أقل من المعلمات لتحسين التصميم.لذلك ، في المرحلة المبكرة من تطوير تبريد الموائع الدقيقة المضمن ، تم إجراء دراسة كاملة نسبيًا.خاصة في جانب تحسين معلمات بنية القناة ، يمكن تحسين أداء التبريد في ظل ظروف معينة.يتم فصل هيكل الزعنفة في الممر المستقيم وتصميمه بأشكال مختلفة لتحقيق وظيفة العمود الصغير للمفسد.بسبب الأضرار التي لحقت بالتطور المستقر للطبقة الحدودية للسائل ، يتم استهلاك الطاقة الحركية للسائل ، وبالتالي فإن انخفاض ضغط السائل في الهيكل كبير.كلا هيكلي القناة لهما عيوب ارتفاع درجة الحرارة الكبير على طول اتجاه التدفق ، خاصة في الرقائق عالية الطاقة ذات المساحة الكبيرة ، وتوحيد درجة حرارة الرقاقة ضعيف.

على الرغم من أن التركيب المائع يمكن أن يحسن بشكل فعال معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري ، إلا أنه من الصعب توسيع منطقة نقل الحرارة عند استخدامها لتبريد الرقاقة المدمجة.لتحقيق تبريد أكثر اتساقًا ، يلزم وجود فوهة كثيفة / هيكل استرداد.نظرًا لمحدودية عملية التصنيع والموثوقية ، هناك القليل من الأبحاث حول الهيكل النفاث في التبريد المدمج.

إن إدخال القناة المتشعبة يحقق تجزئة القناة الدقيقة المضمنة ويقلل من طول التدفق المكافئ للسائل.لذلك ، يتم تقليل انخفاض ضغط المضخة وطاقة المضخة ، وتحسين نسبة كفاءة طاقة التبريد.يمكن استخدام القناة المتشعبة في تقنية تبريد موائع جزيئية مدمجة ، والتي لا يمكن فصلها عن تطوير تقنية معالجة MEMS القائمة على السيليكون.يتغلب هيكل القناة الصغيرة من النوع المتشعب على عيوب مقاومة التدفق الكبيرة والارتفاع الكبير في درجة الحرارة على طول اتجاه التدفق في تبريد القناة الصغيرة ، لذلك لديه احتمالات تطبيق أكثر وقد تمت دراسته على نطاق أوسع.

المضمنة النموذجية نظام تبريد الموائع الدقيقة يتكون من مضخة مدمجة تقليل الحرارة ومبادل حراري.حيث توفر المضخة الطاقة المطلوبة لتدوير وسيط عمل التبريد ، ويدرك المشتت الحراري المدمج التبادل الحراري من مصدر الحرارة إلى وسيط عمل التبريد.بالمقارنة ، فإن المبادل الحراري يحقق تبريد وسط التبريد ويضمن الدوران الموثوق للنظام.يستخدم التبريد الموائع الدقيقة المدمجة نفس المضخات والمبادلات الحرارية مثل التبريد السائل التقليدي.

فيما يتعلق بنقل الحرارة ، هناك مجموعة متنوعة من الوسائل لتحسين أداء نقل الحرارة في القناة ، بما في ذلك تغيير خشونة السطح ، وتدمير التطور المستقر للسائل ، والتدفق الثانوي ، والاهتزاز وما إلى ذلك.ومع ذلك ، يصعب استخدام بعض الهياكل لتبريد السيليكون المدمج ، مثل الأخدود الصغير المتموج وتقنية معالجة السيليكون السائبة الأخرى يصعب تحقيق الهيكل.لذلك ، لا يمكن استخدامه في تقنية التبريد المدمجة.

في تقنية تبريد الموائع الدقيقة المدمجة المقدمة في هذا الورق ، يتم استخدام التسخين بالمقاومة الحرارية لمحاكاة إنتاج الحرارة لرقائق IC.من أجل استخدام تقنية التبريد الموائع الدقيقة المدمجة في رقائق IC الفعلية ، من الضروري إعداد هياكل القنوات الدقيقة المدمجة في شرائح IC.على الرغم من أن تبريد موائع جزيئية مدمج يعمل بشكل أفضل من التبريد غير المدمج.في الوقت الحالي ، لا يوجد حل تبريد سائل مدمج تجاري ، لأن تقنية معالجة التبريد والتعبئة المدمجة لرقائق IC لا تزال تواجه بعض مشاكل التوافق والموثوقية.

نظرًا لحساسية التلوث في تصنيع الرقائق ، لا تقبل مسابك الرقائق عملية النظم الكهروميكانيكية الصغرى (MEMS) لإعداد قنوات تبديد الحرارة ثم إعادة معالجة دوائر الجهاز.حتى الآن ، كل تقنيات التبريد المدمجة بشريحة IC هي تحضير جهاز امتصاص الحرارة بعد معالجة الرقاقة.وفقًا لتوافق العملية ، يجب مراعاة توافق IC لدرجة الحرارة والمواد في عملية المعالجة الثانوية.لذلك ، لا يمكن استخدام عملية درجة الحرارة العالية والمواد الحساسة IC.

بالمقارنة مع IC التقليدي ، فإن مشكلة الإدارة الحرارية في IC عالي الكثافة ثلاثي الأبعاد أكثر أهمية.الأسباب الرئيسية هي الاستهلاك القوي غير المنتظم للطاقة في الفضاء والوقت ثلاثي الأبعاد وما ينتج عن ذلك من سخونة محلية خطيرة.تزيد الموصلية الحرارية المنخفضة لمواد الطبقة العازلة من المقاومة الحرارية للطبقة البينية للأنظمة الدقيقة المتكاملة ثلاثية الأبعاد.تزداد المقاومة الحرارية المكافئة من النقطة الساخنة إلى المشتت الساخن بشكل كبير عندما لا يتم تحسين التبريد بشكل كبير.تعد مشكلة الإدارة الحرارية للدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد أكثر خطورة من مشكلة الدوائر المتكاملة التقليدية ثنائية الأبعاد أو 2.5D.

توفر العديد من عمليات المحاكاة إرشادات واقتراحات لتحسين موثوقية تبريد موائع جزيئية مضمن لهياكل قناة معينة.ومع ذلك ، فإن الارتباط بين جميع الأعمال ليس قويًا ، لذلك لا توجد طريقة تصميم موثوقية منهجية في الوقت الحالي.

تقنية التبريد المدمجة هي نوع من تكنولوجيا التبريد الذي يقدم وسيط التبريد في ركيزة الرقاقة.لقد تم البحث فيه لعدة عقود.بالمقارنة مع تقنية التبريد التقليدية عن بعد ، يمكن للتبريد المدمج أن يقلل بشكل فعال مقاومة الموصلية الحرارية ، ويتجنب المقاومة الحرارية للواجهة ، ويحسن أداء التبريد.على الرغم من أن تصميم القناة ونظام التعبئة والتغليف قد تم تكراره وتحديثه على مر السنين.كانت هناك أيضًا عروض توضيحية في شرائح حقيقية توضح أداء التبريد للتكنولوجيا.ومع ذلك ، فإن تقنية تبريد الموائع الدقيقة المدمجة لم يتم تسويقها بعد.بالإضافة إلى عوامل تكلفة التصنيع التي لم يتم تحليلها في هذا البحث ، فإن موثوقية العملية وعملية الاستخدام تعيق أيضًا التطبيق العملي للتبريد المدمج.حتى الآن ، لا يزال التبريد عن بعد هو الحل الأساسي في كل من القطاعين التجاري والعسكري.

يتميز التبريد المدمج بنسبة كفاءة طاقة أعلى ، على الرغم من أن بعض دراسات التبريد غير المدمجة قد حققت قيمًا للطاقة أو كثافة الطاقة مماثلة للتبريد المدمج.لذلك ، يتمثل اتجاه تطوير تقنية التبريد السائل في جعل هيكل التبريد أقرب إلى منطقة مصدر الحرارة.في المستقبل ، تعتبر هندسة التغليف ثلاثية الأبعاد طريقة فعالة لتحسين تكامل الترانزستور.بالإضافة إلى مشاكل طاقة النظام ، يجب أيضًا التغلب على تبريد الطبقة البينية للرقاقة.لذلك ، من الضروري اقتراح مخطط تصميم تعاوني لتبريد الموائع الدقيقة المدمجة المتوافق مع التصغير والتعبئة عالية الكثافة لتحسين تكلفة المعالجة وتحسين موثوقية تقنية تبريد الموائع الدقيقة المدمجة.سيكون هذا هو اتجاه البحث الرئيسي في المستقبل.