×

关注微信公众号

新型传热技术[3]: 美国DARPA热管理计划“ICECool背景技术”

[复制链接]
发表于 2020-9-15 10:06:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
美国国防高级研究计划局(DARPA)是美国国防部的核心研究与开发机构。1957年苏联第一颗人造卫星升空,美国意识到苏联科技的发展对美国国家安全造成了威胁。在这一背景下,美国国防高级研究计划局(DARPA)于1958年应运而生。DARPA成立的主要目的在于:(1)打造美国的技术领先优势;(2)防止世界其它国家的科技创新技术优势给美国国家安全带来威胁。在六十余年的发展历程中,DARPA通过自主创新的基础研究、应用研究和先期技术开发保持了美军的技术优势,被称为美国国防部转型的“技术引擎”。DARPA有着卓越的管理机制、组织机构、技术转化策略,始终致力追求发展世界前沿的核心基础技术,突破战略重点领域技术,取得了举世瞩目的成就,孵化诞生了互联网、GPS、隐形战机、高超声速飞机、智能语音助手Siri等。
5A665BF0-6BAA-4e19-B558-4CA091131558.png
图1 DARPA徽标
国防高级研究计划局目前正在进行研究并致力于为微电子设备的热管理开发一种嵌入式冷却的新范例。这项工作始于近结热传输(NJTT)研究,并在热管理技术(TMT)程序中开发高级远程冷却的基础上,向嵌入式冷却过渡的范例。嵌入式冷却的全面实施包括芯片内/芯片间强化冷却(ICECool)计划的两个工作:ICECool基础和ICECool应用。
为此,本栏目“原创报道”将分3期(第1期:ICECool背景技术;第2期:ICECool方案;第3期:ICECool基础及应用)简要报道美国DARPA芯片强化冷却(ICECool)计划。
美国DARPA芯片强化冷却计划:
ICECool背景技术
1 引言
电子组件和子系统集成度的提高,包括3D芯片堆栈技术的新兴商业化,加剧了电子系统开发人员面临的热管理挑战。超过100W的芯片功耗,通量超过1kW / cm2的局部热点以及封装级体积的热量产生可能超过1kW/ cm3的融合,暴露了当前“远程冷却”范式的局限性及其无法促进先进硅和化合物半导体组件性能的持续提高。这些热量限制阻碍了数十年来“摩尔定律”在微处理器性能方面的进步,并有可能使导致微电子革命的主要原因的创新引擎脱轨。
在用于电子设备的常规冷却体系结构中,在常用的芯片和基板中以及在封装和模块中存在的多种材料界面上,对导热和扩散的依赖严重限制了位于远处的散热表面降低散热片温度升高的能力。关键的芯片热点和模块或堆栈中的单个芯片。此外,这种“远程冷却”范式的持续应用导致了电子系统,其中热管理硬件占高级电子系统的体积,重量和成本的很大一部分,并且破坏了将新兴的电子组件转移到便携式电子设备,以及其他小型应用。

2 热管理技术(TMT)计划
DARPA在2008年启动了热管理技术(TMT)计划,以通过降低与普遍的“远程冷却”范式相关的整体热阻来应对这些热管理挑战。TMT计划包括利用新兴的微米和纳米技术来提高热性能的数项独特努力,这些努力现已取得成果,并取得了相当大的成功[1]。
空气冷却交换器微技术(MACE)致力于开发散热器,该散热器利用流量搅拌器,合成射流,压缩空气和带有集成热管的散热片将热阻降低至10 cm2K / W,这意味着开尔文温度升高10对于1 W / cm2的热通量,风扇性能系数(COP)接近30。热地平面(TGP)推力正在开发高性能的“蒸气室”散热器,在该散热器中,微纳双孔灯芯,具有疏水性和亲水性表面并具有膨胀匹配的外壳,可以提供10kW / mK至20kW / mK的面内导热率,比铜高25-50倍,比合成金刚石高10倍以上。增强的热界面材料,分别基于机械相容的叠层焊料-石墨,GLAD制造的铜纳米弹簧和碳纳米管(CNT)阵列,可以适应硅和铜之间的差异膨胀,同时对于0.1mm厚的涂层将热阻降低至0.01cm2K / W以下。这是在纳米热界面(NTI)的努力下做出的。正在寻求一种基于热电或斯特林循环技术的微型高效制冷系统,该系统可以插入芯片堆叠中,并且在施加的热通量大于25W / cm2的情况下,能够降低COP达到2,从而降低15K的温度。这是在主动冷却模块(ACM)的努力下完成的。

3 近结热传输(NJTT)
尽管在TMT方面取得了巨大的成功,并且在COTS热包装技术方面取得了不断的进步,但“远程冷却”范式固有的顺序传导热阻仅对高性能的整体结-环境热阻产生了有限的改善。过去十年的电子系统。为了克服这些限制并消除阻碍电子组件和系统中持续的“摩尔定律”发展的重大障碍,必须直接冷却芯片上的发热部位,并利用微流体流通过芯片,基板和散热片散发出来的热量。集成液体冷却涉及介电液体流过机箱,“托盘”和/或高功率组件的安装表面,已经在计算和RF应用中展示出了好处,例如,如IBM Power 775超级计算机的[2]中所述,在[3]中表示一个RF阵列,在[4]中表示单个MMIC。嵌入式微流体热管理继续保持这种趋势将克服热限制以及SWaP瓶颈,并且有望改变下一代国防电子系统中的电子系统架构。
近交接点热传输(NJTT)的努力启动了DARPA的努力,以创建这种新的嵌入式冷却热管理范例。NJTT正在尝试在不降低电气性能的情况下减小微电子设备近结区(前100 µm)的热阻。NJTT因此正在建立当前“远程冷却”范式的极限与集成的嵌入式冷却范式的出现之间的界限。
NJTT专注于允许GaN PAs在现有DoD系统中运行的方法,该方法将显着提高功率处理能力,并且不会伴随从散热器或冷板结到基座的温差增加,从而对电气特性产生有害影响,或材料组或制造工艺不兼容。NJTT团队并未改变PAs的电气设计,而是在寻求热管理方法,例如高传导性材料或液体冷却,这些方法可大大减少或消除GaN PAs和类似组件大功率运行的热障。
NJTT为期18至24个月,于2011年底开始。具体团队及其方法如下:BAE Systems,雷神IDS,RFMD和TriQuint Semiconductor正在研究将GaN外延转移到高电导率金刚石基板上的方法。诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman AS)正在研究将金刚石直接生长到在GaN的SiC衬底中蚀刻的热过孔中。NJTT的最终团队GE Global Research正在探索在SiC PAs上对GaN进行单相冷却的方法,该微通道被蚀刻到距GaN 50 µm以内的SiC衬底中。此外,NJTT专注于计算和建模,以应对亚微米级的测量验证和量化GaN器件的热电性能的挑战。在计划结束时,团队将展示其技术的改进处理。
以上内容由东南大学电子科学与工程学院刘旭副教授根据文献[1]翻译,热管理联盟编辑部整理校对而成。
参考文献[1] Bar-Cohen, A. & Maurer,J.J. & Felbinger, J.G.. Darpa's intra/interchip enhanced cooling (icecool)program. International Conference on CompoundSemiconductor Manufacturing Technology, CSMANTECH 2013. 171-174.
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

快速回复 返回顶部 返回列表