洛·馬公司研制出內(nèi)嵌芯片級(jí)微流體散熱通道冷卻

admin 2016-06-22

基于DARPA ICECool項(xiàng)目，洛·馬公司研制出內(nèi)嵌芯片級(jí)微流體散熱通道冷卻板

早在2012年6月，美國(guó)國(guó)防預(yù)研計(jì)劃局（DARPA，翻譯里面還是要突出“預(yù)研”的）就發(fā)布了一份關(guān)于ICECool項(xiàng)目第一階段的廣泛機(jī)構(gòu)公告(DARPA-BAA-12-50)，當(dāng)時(shí)稱為“芯片內(nèi)/芯片間增強(qiáng)冷卻”ICECool基礎(chǔ)，旨在為軍用電子設(shè)備探索革命性熱管理技術(shù)，幫助設(shè)計(jì)師大幅削減電子產(chǎn)品的大小、重量和功耗(SWAP)。

2012年，DARPA發(fā)布的關(guān)于ICECool項(xiàng)目第一階段的廣泛機(jī)構(gòu)公告
僅僅半年后，DARPA在2013年2月7日于弗吉尼亞州阿靈頓向行業(yè)發(fā)布關(guān)于ICECool項(xiàng)目第二階段的詳細(xì)信息。這次發(fā)布會(huì)重點(diǎn)關(guān)注ICECool應(yīng)用，還包括ICECool的視頻演示（現(xiàn)在居然找不到這個(gè)視頻了）。在這場(chǎng)發(fā)布會(huì)上，DARPA表示ICECool應(yīng)用項(xiàng)目的目標(biāo)是加強(qiáng)國(guó)防電子設(shè)備性能，使RF MMIC和高性能嵌入式計(jì)算板的熱流密度達(dá)到1千瓦/平方厘米，熱能密度達(dá)到1千瓦/立方厘米。總體來說，該項(xiàng)目旨在將芯片內(nèi)/芯片間微流體冷卻技術(shù)和芯片上熱傳導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用到RF MMIC和功能強(qiáng)大的嵌入式計(jì)算板。

ICECool項(xiàng)目的藝術(shù)假想圖
從本質(zhì)上講，DARPA視冷卻技術(shù)與其他芯片設(shè)計(jì)技術(shù)同等重要，使用嵌入式熱管理可以提高軍用電子設(shè)備的性能。DARPA表示，在芯片集成對(duì)流或微流體冷卻技術(shù)非常有潛力，可以加快先進(jìn)芯片集成的技術(shù)革新。

使用嵌入式熱管理可以提高軍用電子設(shè)備的性能（洛·馬公司圖片）
而就在上周的三八國(guó)際婦女節(jié)，洛克希德·馬丁公司就宣布其在國(guó)防預(yù)研計(jì)劃局（DARPA）ICECool項(xiàng)目的支持下，研制出了微流體散熱片，尺寸僅為250微米厚、5毫米長(zhǎng)和2.5毫米寬，所含冷卻水量不足一滴，但已足夠冷卻最熱的電路芯片，這將有望提高電子、雷達(dá)以及激光器的功率和性能。

洛·馬公司的微冷卻器被設(shè)計(jì)為可集成到最緊湊的電子系統(tǒng)。它只有250微米厚，5毫米長(zhǎng)，2.5毫米寬。
當(dāng)今最先進(jìn)的各種系統(tǒng)由數(shù)以千計(jì)的電子元件構(gòu)成，如果沒有創(chuàng)新的冷卻技術(shù)，這些系統(tǒng)就會(huì)由于散熱問題而無法正常工作。洛克希德·馬丁公司正在與DARPA的微系統(tǒng)技術(shù)辦公室（MTO）就其IceCool應(yīng)用的研究項(xiàng)目展開合作，這項(xiàng)研究可能最終實(shí)現(xiàn)一種更輕便、更快速并且更便宜的方式來冷卻高功率的微芯片，即利用通過利用細(xì)微的水滴來冷卻芯片。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于電子作戰(zhàn)、雷達(dá)、高性能計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)服務(wù)器。

由洛·馬公司研制的這款可能是世界上最小的液體冷卻板，是DARPA的IceCool計(jì)劃的一部分。微冷器所含冷卻水量不足一滴，但能夠在瞬間冷卻最熱的電子芯片。
洛克希德·馬丁公司的工程師組成的核心團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種能夠滿足IceCool項(xiàng)目目標(biāo)的產(chǎn)品，能夠提升射頻（RF）MMIC功率放大器以及嵌入式高性能計(jì)算系統(tǒng)的性能，通過芯片級(jí)的散熱性能和高性能嵌入式計(jì)算系統(tǒng)技術(shù)。洛·馬公司實(shí)驗(yàn)證明其微流體冷卻方法將可以減少四倍的熱阻和相比于常規(guī)冷卻技術(shù)六倍的冷卻效果，可提高RF輸出功率的有效性。

Denise Luppa，洛·馬公司負(fù)責(zé)參與IceCool計(jì)劃開發(fā)微流體散熱片的三八紅旗手
使用當(dāng)前的技術(shù)，我們可以投入微芯片功率是有限的，其中一個(gè)最大的挑戰(zhàn)就是散熱問題。如果可以有效控制散熱，就可以使用較少的芯片實(shí)現(xiàn)相同的功能，這意味著采用更少的材料，即節(jié)省成本，并減少系統(tǒng)的尺寸和重量。或者使用相同的芯片數(shù)量，如果能夠有效控制散熱問題，就可以使得系統(tǒng)獲得更高的性能。

IceCool芯片的設(shè)計(jì)概念
IceCool項(xiàng)目的第一階段，洛·馬公司驗(yàn)證了嵌入式微流體冷卻方法的有效性。芯片平均散熱能力達(dá)到1KW/cm2，多個(gè)局部熱點(diǎn)的散熱能力達(dá)到30KW/cm2，大約是常規(guī)芯片所產(chǎn)生熱量密度的4~5倍。

IceCool芯片內(nèi)處理的設(shè)計(jì)概念
該項(xiàng)目的第二階段，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到冷卻高功率的RF放大器，來驗(yàn)證通過改善散熱控制能夠有效提升性能。利用IceCool的技術(shù)，團(tuán)隊(duì)證實(shí)了，能夠使一個(gè)給定的RF在輸出功率增加6倍的情況下，依然能夠保持比傳統(tǒng)冷卻的相同器件的溫度還要低。

IceCool芯片間處理的概念
在其不斷努力以從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移該技術(shù)到應(yīng)用領(lǐng)域，洛克希德·馬丁公司正在開發(fā)一個(gè)功能齊全的、微流冷卻的、發(fā)射天線原型，以增加該技術(shù)的可讀指數(shù)（TRL）。這將為未來電子系統(tǒng)的可能性插件打下基礎(chǔ)。

洛·馬公司的這張圖片標(biāo)語很有意思：“發(fā)熱的電子？只需要加水：）”
洛克希德·馬丁公司正在與Qorvo合作，嘗試將其技術(shù)與Qorvo的高性能氮化鎵處理器進(jìn)行整合，這將有助于通過消除目前散熱對(duì)氮化鎵半導(dǎo)體性能的影響。洛克希德·馬丁公司的技術(shù)也適用于其他一些應(yīng)用，如現(xiàn)有砷化鎵（GaAs）和未來的金剛石基氮化鎵（GaN）器件應(yīng)用。