账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
如何让电力电子产品和光电感测器有效降温
 

【作者: Philippe Soussan】2020年01月09日 星期四

浏览人次:【2612】
  

晶粒密度日益增长所带来的不利因素便是系统热生成会急遽升高。举例而言,采用最新一代电力电子元件的智慧工厂或智慧交通应用便是如此。爱美科感测与致动研究单位的计画主持人Philippe Soussan及其团队,提出了一项冷却解决方案,该解方采用优化且基於矽的微通道(microchannel)结构,能够大量排除多馀的热能。此外,它还易於调适供其他应用使用。


热生成晶粒密度增长所带来的不利因素

让越来越多小型化且高效能的元件集结在日益缩小的封装上,是制造电子产品的一大趋势。这项发展在微电子产业众所皆知,也使得3D整合技术越来越常获得采用,以用来建立精密且高效能的电脑系统,同时作为进一步延续莫尔定律的手段。这项趋势也渐渐出现在由系统限制(system constraints)驱动的各式相关应用领域,像是智慧工厂和智慧交通。


目前,智慧机器人解决方案透过感测器和致动器进行自主导引(self-guided),都配备精密的高效能微系统。一般来说,这些系统配备最新一代电力电子产品,能够以高频运作,且能耐高温。


然而,晶片朝高密度发展所带来的不利因素便是系统热生成会急遽升高,对系统性能和可靠度带来负面影响。

当前的气冷式解决方案还不足以排除小型封装内的多馀热能。这种情况就需要创新技术来排除小型系统区内大量的热能。


就智慧工厂机器人或自驾车而言,要符合他们(对例如功率元件)的散热要求,可是困难重重。散热片一定要坚固耐用、低成本且具备高冷却性能能够达到500W/cm2甚至更高的散热水准。如果要用液体来散热,那麽绝不能容许任何渗漏流至系统。再者,任何附有液体的冷却系统,其安置空间都十分有限,而且不能限制机器人的机动性。


为何要选择微流道散热片?

多年来,各种冷却解决方案一直在开发中,包含气冷式散热片、二级制冷(two-phase refrigeration)和喷射冷却系统(jet impingement systems),各有各的优劣。结果发现,在各式途径中,微通道(microchannel)结构在散热片应用上很有效果。这些微通道被当作某一冷却液体(例如水)流动的通道就散热而言,冷却液体一般来说比气体还有效,原因是液体的热导系数和比热较高。藉由将液体抽送至体积小、平行且高深宽比的微通道结构,热对流面积及热传系数会增加,让热能得以高热通量散逸。


自1980年代初期问世以来,微通道阵列一直被广泛研究。虽然说运用微通道让电子产品降温很吸引人,但要正式采用并节省其建置成本,至今仍具挑战性。


成本问题能透过采用基於矽的制程来解决因为矽是高导热的固体。基於矽的生产技术大幅借助平行制造的制程,让装置能以高品质、低成本制造,还具有高收益和量产的好处。


为了提升微通道的热传递性能,不同布局中的通道尺寸和结构多样性正在不断开发中。众多案例显示,必须在降低整体热阻和增加通道间的压降之间做出取舍,而据悉,这会对热传递性能带来负面影响。


爱美科的方法:调整通道尺寸

爱美科的研究团队已发展出基於矽的微通道散热片,它可以单独制造,再接合至目标散热晶片的晶背。


该团队的主要目标是将系统的整体热阻最小化,做法是优化散热片在既定流率(flow rate)和压降下的通道宽度和深度,并找出接合两晶片的最隹化制程。


连续笔直通道的最隹化尺寸由解析(analytical)和数值(numerical)计算取得,并以试验的方式验证。在解析研究後可得热阻的总值,也可以说是热传导阻抗、热对流阻抗、热阻和接触电阻的总和。热对流阻抗能解释热从固态的散热片表面传递至液体的能力,该数值很大程度上取决於通道尺寸。接触电阻则说明两矽片间的介面热阻,且能透过优化接合制程来达到最小化。


一旦找到既定流率和压降下优化的微通道几何结构和接合叁数,就来执行3D热能和流体模拟,以预测该散热片的流体性能和热行为。


透过采用上述方法,微流道散热片的设计和制造就能依照任何外在系统限制进行调整,像是空间或液体的供给限制。

关键材料:高深宽比的微结构

上述方法在开发优化且基於矽的微流道散热片时予以采用,该散热片最大流率为150mL/min,最大压降为2.5bar。



图一 : 微冷却器的示意图
图一 : 微冷却器的示意图

解析计算显示,深度介於150-250μm的通道,其优化通道宽度约为20-30μm。基於这些计算结果,通道宽度为30μm且目标深度为250μm的微结构便设计出来了。



图二 : 假设流率为150mL/min,且最大压降为2.5bar,此图为在考量不同通道尺寸的情况下,针对热阻总值的解析计算。
图二 : 假设流率为150mL/min,且最大压降为2.5bar,此图为在考量不同通道尺寸的情况下,针对热阻总值的解析计算。

接着,依此尺寸制造微通道散热片,并采用进阶的CMOS相容矽制程。深反应式离子蚀刻制程(deep reactive-ion etch;DRIE)特别被用来制造这些深宽比具挑战性的微通道微冷却器的关键元件。



图三 : 高深宽比微通道的扫描式电子显微镜(scanning electron micrograph;SEM)影像
图三 : 高深宽比微通道的扫描式电子显微镜(scanning electron micrograph;SEM)影像

这种散热片可以利用熔融接合和热压接合来搭接至任何要散热的晶片背面。本研究采用5x5mm2的测试热晶片,该晶片能生成高热通量,并透过钨制(tungstan;W)电阻器来感测温度变化。藉着运用优化的铜/锡金(Cu/Sn-Au)介面,介面两侧的接触热阻就能达到极低。



图四 : 爱美科基於矽的微流体散热片影像。
图四 : 爱美科基於矽的微流体散热片影像。

坚强耐用且完全密封的通道在所谓的「闭合通道(closed channel)」布局中制成。爱美科团队也研究了替代布局,叫作「开放通道(open channel)」。在此布局中,更低的热阻可??实现。然而,所有通道的密合全然仰赖两矽片的接合制程这也是相对具挑战性的方法。或者,制作通道的晶圆可以直接以晶圆级进行接合,以达到更低的热阻。


冷却成果:功率消耗达到600W/cm2甚至更高

爱美科研发的精密散热片由测试热晶片组装,在泵功率(pump power)小於2W的情况下,整体热阻能降低至0.34K/W。


该散热片实现的热通量散逸比其他传统气冷式散热片还高得多。这也让元件温度维持在摄氏100度以下的同时,还能让功率消耗超过600W/cm2。


该致冷晶片通常具有67条平行通道,建置在约为几十平方毫米的小型封装。


冷却新一代应用

对任何处理高性能热能管理的宽能隙光电材料应用,以及读取与驱动电路冷却应用来说,该致冷晶片的冷却性能和量身打造的晶片设计让爱美科提议的解方显得格外吸引人。


部份相关应用如下:


* 供下一代电信系统使用,配备高性能定向天线的射频/毫米波模组:这类模组通常靠着结合热生成功率放大器来传递强脉冲至天线。目前的解决方案仍十分占空间。


* 基於氮化??(GaN)或矽的下一代电力电子模组:这些模组通常用於汽车、机器人和新世代电动车的引擎、传动系统和电动马达管理。


* 用於光线探测及测距(LiDAR)或光谱量测(spectrometry,仰赖三五族材料的整合,并运用CMOS和光子学技术)的新型整合感测器:基於自由空间光学的现行系统在本质上无法扩增规模。尤其是雷射整合设备,未来需要一项有效的冷却解决方案。


* 在实验室晶片(lab-on-chip)应用中,特制微机电系统(MEMS)的温度管理:这些系统通常有一颗连接至MEMS(流体)装置的驱动和读取IC。这种微系统在生医界正广泛获得采用,而生医用晶片温度需维持低温,以避免破坏多样的(生)化学试剂。


总结

爱美科已提出微型且基於矽的微流体散热片,该解决方案展现了超过600W/cm2的热功率消耗。该装置的热性能比文献资料中的微电子冷却器要来得好。该装置的核心在於体积小、平行且高深宽比的微通道结构、采用CMOS相容的制程,因而确保终端装置的成本低。


这项解决方案的一大优点,便是在晶片设计和制造前就能准确预测并优化流体性能和热行为的能力,这让该解方能根据不同应用的要求和限制,像是根据可用的空间或液体供给额度,轻松进行调整。


这项新的冷却方法可能可以面对各式系统中新一代电力电子元件、感测器和高性能装置带来的热能挑战。该提议解方可??实现微电子产业外的其他应用。


(本文由爱美科授权刊登,作者Philippe Soussan为爱美科感测与致动研究单位的计画主持人;编译/吴雅婷)


**刊头图(source:publishing.aip.org)


相关文章
用於射频前端模组的异质三五族CMOS技术
基础设施整合太阳光电可行吗?
3D FeFET角逐记忆体市场
由自驾车迈向智慧交通系统的进展
支援系统-技术偕同最隹化的3D技术工具箱
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
mbed
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
Arduino
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
Raspberry Pi
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
  相关新闻
» 联发科携手科教馆及台大 共推 AI高中智慧科技营
» 5G时代正式开始 高通展示新使用案例未来5G技术
» 工研院与日本创投企业UMI签署策略性合作夥伴协定 开发材料新商机
» 北市推公车专用道自驾巴士於5月上路测试,9月开放试乘
» 施耐德电机2019获颁逾20项国际奖肯定 强助建置新世代资料中心
  相关产品
» Mentor的Analog FastSPICE和Symphony平台获AI处理器公司Mythic采用
» 艾讯推出多元增值I/O模组(VAM)与外避震模组 克服智慧车载挑战
» Molex开发CoreSync物联网网路平台 建构工业4.0基础
» 推升5G行动应用效能 Western Digital推出嵌入式快闪储存装置
» Power Integrations扩展BridgeSwitch BLDC马达驱动器IC系列至400W
  相关资源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2020 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw