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新型传热技术[5]: 美国DARPA热管理计划“ICECool基础及应用”

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发表于 2020-9-15 10:13:11 | 显示全部楼层 |阅读模式
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”将在前两期《美国DARPA热管理计划“ICECool背景技术”》和《美国DARPA热管理计划“ICECool方案”》基础上,从ICECool基础及应用角度继续报道美国DARPA芯片强化冷却(ICECool)计划。

一、ICECool基础版(ICECool Fun)
ICECool Fun的目标是通过对热通量超过5 kW / cm2的局部亚毫米热点进行热控制,展示超过1 kW / cm2的热通量和1 kW / cm3的热密度的芯片级除热,同时通过明智地结合芯片内和/或芯片间微流体冷却保持这些组件和芯片的热互连,在所选候选应用通常可接受的温度范围内工作。因此,ICECool Fun是朝着实现ICECool程序的系统性能目标迈出的第一步,并将开发出芯片内和芯片间蒸发微流体冷却的基本构件。ICECool Fun将在预计的24-36个月内开发和演示实现多微通道半导体芯片中的热互连和蒸发微流体技术所需的微加工技术,并研究,建模并关联芯片内部的热扩散和蒸发流的热流体特性。单个芯片内和/或3D堆栈中芯片之间的微间隙中的微通道流动回路。
ICECool Fun研究人员将制造并交付内部或芯片间冷却的演示机器,这些演示机器将体现各个团队选择的ICECool技术。研究人员将在ICECool Fun工作中着重解决以下领域:
•基于模型的稳定,高出口质量蒸发式微流体冷却系统的设计和制造,能够在芯片和/或芯片堆栈上提供至少1 kW / cm2的热通量和1 kW / cm3的热密度,而不会超过公认的工艺和设备工作温度限制。
•设计,制造和实施沸腾引发和本地化措施。
•根据需要在相关电子材料(Si,SiC或金刚石)中进行高纵横比微通道和/或微孔的微细加工,以及微“配件”(如微阀,微孔和流体连接器)的集成。
•结合热管理技术以及蒸发微流体技术,例如高电导的片上热互连和过孔,片上热电冷却器以及可修复200×200 µm片上均匀热点的热架构在均匀加热(1 kW / cm2)的环境中,芯片中心的热通量超过5 kW / cm2。
•基于模型的参数化研究,对拟议方法的热传输特性进行研究,并研究利用这些机制对运行中的电子设备进行集成/嵌入式热管理的可行性以及可能造成的有害影响。
•表征拟议的高热密度片上冷却技术的热性能极限和失效机理。

二、ICECool应用版(ICECoolApps)ICECoolApps将赞助30个月的设计、开发和演示工作,包括通过微流体流动和充分的介电液体以及芯片上主动和/或被动热互连进行芯片内/芯片间热管理。ICECoolApps的提案涉及两个不同的技术领域:
•RF MMICPAs:技术领域I涉及GaN RF MMIC功率放大器的热管理需求,目标是1kW/cm2和HEMT(亚毫米“热点”)的模级热流,30kW/cm2或更大的热流,同时提供封装级的散热密度大于2kW/cm3。
•嵌入式高性能计算机:技术领域II解决了嵌入式高性能计算机模块的冷却需求;针对1kW/cm2的芯片热流和亚毫米级宏单元“热点”,热流高达2kW/cm2,同时提供5kW/cm3的芯片堆排热密度。
ICECoolApps将在国防电子系统中产生热管理范式的变化,从而提高COTS MMIC、CPU、GPU和FPGA的性能,并减少系统交换。ICECoolApps的执行者将定义和演示为这些特定应用之一量身定制的芯片内和芯片间热管理方法,该方法将与预期应用的材料集、制造过程和操作环境相一致。此外,为了实现ICECoolApps技术的短期系统插入,提议者将把嵌入式微流体热管理技术应用于现有的液冷系统,其中外部热管理硬件(泵、阀门、热交换器等)可以在ICECool驱动的设计中加以利用。因此,ICECoolApps的努力将以成功演示增强的设备和模块性能而告终。消除现有COTS组件上的热瓶颈和交换瓶颈,有望成为设计和开发超越COTS组件的高性能下一代国防电子系统的基础。
三、结论DARPA的嵌入式冷却计划(即NJTT、ICECoolFundamentals和ICECoolApps)正在建立一种新的嵌入式热管理模式,在芯片、基板和/或封装中内置主动冷却,以直接冷却高热流密度区域。NJTT的目标是通过将GaN外延层转移到金刚石衬底上以及外延过渡层的工程化,显著降低宽带隙MMIC功率放大器的近结热阻和片内热点温度。ICECool Fundamentals正在寻求必要的发现和技术开发,以支持蒸发两相微流控冷却的实施,并为这种高效热管理技术在芯片间和芯片内的应用创造基础。最近,ICECoolApps正在将单相嵌入式微流控技术应用于现有射频和高性能计算系统的液冷方案中。
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[5]翻译,热管理联盟编辑部整理校对而成。 参考文献
1. A. Bar-Cohen, K. Bloschock, “Advanced thermal management technologiesfor defense electronics,” Proceedings, SPIE Defense, Security and SensingConference, Balt imore, MD, April 2012.
2. G.F. Goth, A. Arvelo, J. Eagle, M.J. Ellsworth, K.C. Marston, A.K.Sinha, J.A. Zitz. “Thermal and Mechanical Analysis and Design of the  IBM Power 775 Water CooledSupercomputing  Central ElectronicsComplex.” 13th IEEE ITHERM Conference, pp. 700-709, 2012.
3. S. Holzwarth, O. Litschke, W. Simon, H. Fischer, J. Kassner, A. Serwa.“Highly Integrated 8x8 Antenna Array Demonstrator on LTCC with Integrated RFCircuitry and Liquid Cooling.” EuCAP 2010, Barcelona, April 2010.
4. J.P. Calame, R.E. Myers, F. N. Wood, and S.C. Binari. "Simulat ionsof Direct-die-attached Microchannel Coolers for  the Thermal Management  of GaN-on-SiC Microwave Amplifiers."IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 28.4, pp. 797-809,2005.
5. 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.

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中国热管理产业技术创新战略联盟 原创发布
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