長期以來，在芯片集成度提升、尺寸微縮的發(fā)展趨勢下，芯片功能和性能得到進(jìn)一步升級和強(qiáng)化，但芯片的功耗和發(fā)熱量也隨之攀升，帶來了日益嚴(yán)重的電力消耗及散熱問題。

這些曾經(jīng)基本被“無視”的軟性指標(biāo)，現(xiàn)已成為芯片設(shè)計(jì)中的重要考量因素。過高熱量帶來的不良影響更加不容忽視：

• 性能下降：過高的溫度會導(dǎo)致芯片性能下降，甚至出現(xiàn)死機(jī)、藍(lán)屏等故障。

• 可靠性降低：高溫會加速電子元件的老化，縮短設(shè)備的使用壽命。

• 安全性隱患：極端情況下，過熱可能引發(fā)火災(zāi)等安全事故。

• 能源浪費(fèi)：過多的電力消耗不僅增加了運(yùn)營成本，還加劇了能源危機(jī)。

不難看到，若不能及時有效地散熱，過高的溫度不僅會影響芯片的性能和穩(wěn)定性，還會對整個電子系統(tǒng)的可靠性造成威脅，縮短其使用壽命。

尤其是在摩爾定律持續(xù)推動下，5G、AI、汽車電子等新興市場算力需求不斷增長，芯片集成度和功耗不斷提高，

面對日益嚴(yán)峻的散熱挑戰(zhàn)，以及對芯片算力、性能、集成度提升的孜孜以求，如何在保證芯片性能的前提下，有效解決散熱問題，成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

越來越“熱”的芯片，如何“降溫”？

當(dāng)前，業(yè)內(nèi)最流行的散熱解決方案是使用風(fēng)冷、液體冷卻技術(shù)，以及散熱材料的使用和創(chuàng)新。

在散熱材料方面，目前業(yè)界主要以熱界面材料（TIM）、金屬和陶瓷基導(dǎo)熱材料為主。

• 熱界面材料（TIM）：由于器件制造公差和表面粗糙度的存在，器件之間通常會有微小的空隙。這些空隙含有空氣，而空氣是熱的不良導(dǎo)體，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.026W/(m·K)，因此就造成了比較大的接觸熱阻。因此，導(dǎo)熱界面材料（TIM）被用來填補(bǔ)這些空隙，排出空氣，提供更好的熱傳導(dǎo)路徑，降低界面熱阻，從而提升散熱效率。

熱界面材料（TIM）是用于涂敷在散熱器件與發(fā)熱器件之間，降低它們之間接觸熱阻所使用的材料的總稱。

AI終端設(shè)備中的高功耗芯片TIM散熱路徑示意圖

以AI終端設(shè)備中的高功耗芯片為例，通常通過倒扣焊工藝實(shí)現(xiàn)散熱，芯片的熱量沿“芯片－TIM－封裝－TIM－散熱器”路徑傳導(dǎo)至外部。

• 金屬和陶瓷基導(dǎo)熱材料：金屬導(dǎo)熱材料（如銅、鋁等）憑借優(yōu)異的導(dǎo)熱性，常用于極端環(huán)境下的芯片散熱。金屬的高導(dǎo)熱系數(shù)使其能夠快速將熱量從發(fā)熱源傳遞出去，適合高熱通量應(yīng)用場景。同時，金屬材料具備較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱沖擊能力，廣泛應(yīng)用于需要在惡劣環(huán)境下持續(xù)高效散熱的AI芯片中。

陶瓷導(dǎo)熱材料（如氮化鋁、氮化硅）不僅具有良好的導(dǎo)熱性，還具備電絕緣性，是許多AI芯片封裝和高功率應(yīng)用中的理想選擇。陶瓷材料的導(dǎo)熱性介于金屬和傳統(tǒng)聚合物材料之間，且其熱穩(wěn)定性使其能夠在高溫或腐蝕環(huán)境下使用。例如，氮化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)170-180 W/(m·K)，廣泛用于極端環(huán)境下的AI芯片封裝中。

散熱技術(shù)則包含風(fēng)冷、液冷、熱管、VC均熱板、散熱器等多種方案。

• 風(fēng)冷：目前，芯片散熱采用的最廣泛方式是風(fēng)冷，風(fēng)冷散熱是將冷空氣吹過散熱器或直接吹向芯片表面，進(jìn)而將芯片產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到空氣中。

風(fēng)冷散熱的優(yōu)勢在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，成本較低，安裝方便，且應(yīng)用廣泛，也可以與熱管/3DVC/冷管等組合使用。但風(fēng)冷的散熱效率受限于空氣的熱導(dǎo)率較低，在高負(fù)荷和密集運(yùn)算的AI芯片中效果有限。

隨著芯片功率的不斷提升，超過300W后，使用傳統(tǒng)的散熱器進(jìn)行散熱，效果已經(jīng)不明顯。液冷散熱技術(shù)被認(rèn)為是AI時代的理想散熱方案。

• 液冷：液冷技術(shù)通過將液體（如水或冷卻液）作為傳熱介質(zhì)，利用其高熱容量和高導(dǎo)熱性，將芯片產(chǎn)生的熱量迅速帶走。液冷系統(tǒng)通常由冷卻液管路、冷板或散熱片、泵和散熱器組成，冷卻液吸收熱量后被送到散熱器，再通過空氣或水冷的方式散熱。

液冷相較于風(fēng)冷具有更高的散熱效率，因此常用于數(shù)據(jù)中心和HPC中，比風(fēng)冷更適合支持高功率AI芯片持續(xù)工作。但液冷系統(tǒng)復(fù)雜且成本較高，安裝和維護(hù)要求較高，物理空間占用較大。此外，若系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。

TrendForce調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，英偉達(dá)Blackwell新平臺預(yù)定第四季出貨，助益液冷散熱方案滲透率明顯成長，從今年10%左右至2025年突破20%。全球ESG意識提升，加上CSP加速布建AI服務(wù)器，有助帶動散熱方案從風(fēng)冷轉(zhuǎn)向液冷。

• 熱管：熱管技術(shù)通過相變原理進(jìn)行高效導(dǎo)熱。熱管內(nèi)部包含導(dǎo)熱液體，液體在靠近熱源的部分吸收熱量蒸發(fā)成氣體，氣體沿?zé)峁芤苿拥嚼涠酸尫艧崃坎⒛Y(jié)成液體，液體再通過毛細(xì)作用或重力回到熱源端循環(huán)。這種循環(huán)使得熱管能夠迅速傳導(dǎo)熱量。

熱管工作原理

熱管具有極高的導(dǎo)熱效率，且體積較小，重量輕，適合應(yīng)用于空間受限的設(shè)備中。但盡管熱管導(dǎo)熱效率高，但其散熱能力受到熱管數(shù)量和設(shè)計(jì)的限制，主要用于中等功耗或空間受限的場景，難以在超高功率芯片中單獨(dú)使用。

• VC均熱板：在熱管的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，二維均溫技術(shù)（VC均熱板）、三維的一體式均溫技術(shù)（3D VC均熱板）被逐漸被開發(fā)。均熱板與熱管的原理相似，都是讓冷卻液吸收熱源的能量，然后經(jīng)過蒸發(fā)（吸熱）、冷凝（放熱）的相變過程，將熱量分散導(dǎo)向外部。

均熱板可設(shè)計(jì)成任意形狀以適應(yīng)不同的熱源布局，以二維甚至三維方式幫助器件散熱，接觸面積更大，散熱更均勻，相比熱管，傳熱效率提高了20%-30%。同時其緊湊的設(shè)計(jì)也更利于安裝在小型化設(shè)備中。

熱管及均熱板原理架構(gòu)圖對比（來源：JONES）

VC均熱板的局限性在于其制造成本相對較高，尤其是在復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制作上。此外，均熱板的散熱能力在極高功率密度下可能依然存在限制，難以單獨(dú)應(yīng)對某些高熱負(fù)載場景，通常需要與其他散熱技術(shù)結(jié)合使用。

• 散熱器：在芯片設(shè)計(jì)和電子設(shè)備制造中，散熱器扮演著至關(guān)重要的角色。散熱器的主要功能是通過高效的熱傳導(dǎo)和輻射，將芯片運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量迅速散發(fā)到周圍環(huán)境中，從而防止芯片過熱，確保設(shè)備的穩(wěn)定性和性能。

散熱器通過與芯片緊密接觸，將芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到其自身。大多數(shù)散熱器由高熱導(dǎo)率的金屬材料制成，如鋁或銅，這些材料具有出色的熱傳導(dǎo)性能，能夠迅速吸收芯片的熱量。為了增加散熱面積，散熱器通常設(shè)計(jì)有多片鰭片（fins），這些鰭片大大增加了散熱器的表面積，從而提高了與周圍空氣的接觸面積和散熱效率。

散熱器利用空氣對流來散發(fā)熱量。自然對流和強(qiáng)制對流是兩種主要的散熱方式。在一些高性能應(yīng)用中，散熱器還需要與熱界面材料（TIM）結(jié)合使用，確保熱量能夠更快地傳導(dǎo)到散熱器上。

為滿足不同應(yīng)用的需求，散熱器的設(shè)計(jì)也在不斷演進(jìn)和創(chuàng)新。近年來，液冷散熱器和均熱片技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于高端領(lǐng)域。液冷散熱器通過液體冷卻劑循環(huán)，能夠更高效地帶走熱量，適用于需要極高散熱性能的場景。而均熱片作為散熱器的輔助組件，通過將熱量均勻分布到整個散熱器表面，進(jìn)一步提高散熱效率。

綜合實(shí)際情況來看，傳統(tǒng)的風(fēng)冷、液冷散熱已經(jīng)逐漸不能滿足當(dāng)下高性能芯片的散熱需求。因此，對芯片散熱技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，并對當(dāng)下的散熱方式加以創(chuàng)新調(diào)整對于保障電子芯片的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

在新發(fā)展時期，推動新型高效的電子芯片散熱技術(shù)研究發(fā)展迫在眉睫。

芯片冷卻，創(chuàng)新技術(shù)興起

除了上述芯片冷卻、散熱技術(shù)外，業(yè)界正在積極探索新的技術(shù)，相繼取得了不少進(jìn)展。

• 創(chuàng)新的芯片冷卻器——環(huán)路熱管 (LHP)

近日，據(jù)外媒消息報(bào)道，研究人員從大自然中獲得靈感，設(shè)計(jì)出創(chuàng)新的芯片冷卻器，未來可能會應(yīng)用于人工智能數(shù)據(jù)中心

環(huán)路熱管 (LHP) 的仿生陶瓷芯靈感來自葉片氣孔。

圖源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

在這些有前景的解決方案中，研究人員目前正在研究仿生學(xué)——從大自然中汲取靈感——尋找最終可能徹底改變?nèi)斯ぶ悄軘?shù)據(jù)中心的創(chuàng)新技術(shù)。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)葉宏教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種用于環(huán)路熱管 (LHP) 的突破性仿生陶瓷芯，其靈感來自葉片氣孔的自然蒸騰過程。他們的研究發(fā)表在Langmuir上，解決了傳統(tǒng)LHP的一個關(guān)鍵限制，即使用孔徑均勻的芯，由于蒸汽阻塞和熱阻增加，導(dǎo)致高熱通量下的效率降低。

新開發(fā)的仿生燈芯具有非對稱孔隙結(jié)構(gòu)，通過克服這些挑戰(zhàn)優(yōu)化了熱傳遞，為大功率芯片冷卻提供了更有效的解決方案。

該設(shè)計(jì)模仿了葉片的氣孔，直指狀的孔隙充當(dāng)蒸汽通道，大大降低了蒸汽傳輸阻力，增強(qiáng)了散熱效果。這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高的臨界熱通量，從而更好地管理高功率芯片的冷卻。這些燈芯使用陶瓷代替金屬，還提高了耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性，這對于先進(jìn)電子產(chǎn)品的長期性能至關(guān)重要。

生產(chǎn)工藝采用相轉(zhuǎn)化流延成型技術(shù)，該技術(shù)通常用于生產(chǎn)多孔陶瓷膜。這種創(chuàng)新方法不僅能夠一步創(chuàng)建所需的多尺度孔結(jié)構(gòu)，還能確保輸出穩(wěn)定一致的產(chǎn)品。

LHP系統(tǒng)中仿生芯的初步測試已顯示出良好的結(jié)果。通過優(yōu)化毛細(xì)力和流動阻力之間的平衡，仿生芯可有效輸送工作流體并提高系統(tǒng)的熱性能。這一進(jìn)步有可能擴(kuò)展到計(jì)算硬件以外的領(lǐng)域，應(yīng)用于航空航天、微電子和能源領(lǐng)域。

這種開創(chuàng)性的方法可以重新定義數(shù)據(jù)中心為人工智能提供動力的熱管理策略，為受自然界啟發(fā)的更高效、更可持續(xù)的解決方案鋪平道路。研究人員希望，這些仿生結(jié)構(gòu)的持續(xù)開發(fā)和改造將有助于克服現(xiàn)有的挑戰(zhàn)，并滿足下一代電子產(chǎn)品的需求。

• 直接作用于芯片上的無水兩相液冷技術(shù)

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，ZutaCore開發(fā)了一種直接作用于芯片上的無水兩相液體冷卻技術(shù)——HyperCool，并且該技術(shù)已被證明可以為功率超過1500W的處理器提供冷卻，目前每個機(jī)架的有效冷卻能力為100KW。

ZutaCore公司首席執(zhí)行官Erez Freibach指出：“無水、直接作用于芯片的液體冷卻技術(shù)滿足了新一代GPU的特定冷卻需求，這種技術(shù)特別適用于1500W的大功率GPU，同時將機(jī)架處理密度提高了300%。這項(xiàng)技術(shù)不僅避免了水冷系統(tǒng)可能發(fā)生的水泄漏風(fēng)險(xiǎn)和昂貴的維修成本，而且還能夠在無需對現(xiàn)有電力、冷卻系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施升級的情況下，輕松提高其冷卻能力，這對于推動人工智能（AI）和高性能計(jì)算（HPC）的未來發(fā)展具有革命性意義。

ZutaCore公司的HyperCool系統(tǒng)采用了一種革命性的閉環(huán)設(shè)計(jì)，能夠在低壓環(huán)境下高效地將處理器產(chǎn)生的熱量排出服務(wù)器。這一系統(tǒng)不僅適用于新建數(shù)據(jù)中心，也適用于現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的升級改造，能夠提升十倍的計(jì)算性能并減少50%的成本、實(shí)現(xiàn)熱量的100%回收利用，同時減少二氧化碳的排放，為實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)的數(shù)據(jù)中心運(yùn)營提供了可能。

目前，已有包括戴爾技術(shù)、華碩、和碩和超微等在內(nèi)的多家知名服務(wù)器制造商的產(chǎn)品獲得了與HyperCool系統(tǒng)的兼容性認(rèn)證，這標(biāo)志著支持HyperCool的服務(wù)器生態(tài)系統(tǒng)正在逐步形成。

• 臺積電新專利：解決半導(dǎo)體管芯的熱管理難題

在當(dāng)前全球半導(dǎo)體行業(yè)深陷競爭與技術(shù)變革的浪潮中，臺積電再次引領(lǐng)潮流，近期申請了一項(xiàng)名為“半導(dǎo)體器件及其形成方法”的新專利。這一專利的主要創(chuàng)新點(diǎn)在于其對半導(dǎo)體管芯熱管理的深刻考量，標(biāo)志著半導(dǎo)體封裝技術(shù)的進(jìn)一步提升。此舉無疑讓我們看到了臺積電在追求更高效器件和解決行業(yè)痛點(diǎn)上的堅(jiān)定決心。

根據(jù)專利摘要，臺積電的半導(dǎo)體封裝件采用了先進(jìn)的熱模塊技術(shù)。其核心設(shè)計(jì)是將設(shè)置在襯底上的IC管芯通過熱管連接至上下板之間的熱模塊。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅優(yōu)化了散熱路徑，還允許熱量有效從上下板散出，使得半導(dǎo)體器件在高負(fù)載情況下仍能保持低溫運(yùn)作。此外，專利中提到的一種液體冷卻板的使用，更是為應(yīng)對高功率密度器件帶來了更為高效的散熱方案。

臺積電在此時推出這一專利，不僅僅是技術(shù)上的突破，更是一種市場策略上的布局。眾所周知，半導(dǎo)體行業(yè)正在經(jīng)歷前所未有的競爭，尤其是在AI、大數(shù)據(jù)和5G等前沿技術(shù)推動下，對高性能芯片的需求日益增長。能夠在熱管理方面取得突破，無疑將為臺積電在未來的市場競爭中贏得更多的優(yōu)勢。

這項(xiàng)專利的推出，也可以看作是對競爭對手的一種間接施壓。在如今的市場環(huán)境中，技術(shù)壁壘的建立尤為重要，臺積電通過不斷的創(chuàng)新，力求在熱管理這一關(guān)鍵領(lǐng)域占據(jù)制高點(diǎn)。業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，成功的實(shí)施此項(xiàng)技術(shù)可能會促使其他廠商加快研發(fā)步伐，從而進(jìn)一步推動整個行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

• 華為與廈大合作創(chuàng)新，金剛石熱管理技術(shù)

廈門大學(xué)與華為公司合作，在這一領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，研發(fā)了一種基于金剛石的創(chuàng)新熱管理技術(shù)。該技術(shù)通過異質(zhì)集成的方式，將金剛石直接集成到芯片和玻璃中，實(shí)現(xiàn)了顯著的散熱性能提升。這項(xiàng)研究不僅展示了金剛石作為熱擴(kuò)散器的巨大潛力，還為未來高性能電子封裝的散熱技術(shù)提供了新的解決方案。

金剛石以其極高的各向同性熱導(dǎo)率（約1500 W/m·K）成為了理想的熱擴(kuò)散材料。過去幾十年，科學(xué)家們通過多種方法嘗試將金剛石應(yīng)用于電子器件的散熱管理中。例如，通過化學(xué)氣相沉積（CVD）在半導(dǎo)體上直接生長多晶金剛石，或者通過高溫高壓條件下將金剛石與半導(dǎo)體直接結(jié)合。這些方法雖然展現(xiàn)出了一定的效果，但由于工藝溫度過高（通常超過400℃）或引入較大的熱阻，限制了其在現(xiàn)代芯片封裝中的廣泛應(yīng)用。

為了克服這一挑戰(zhàn)，廈大與華為提出了一種低溫結(jié)合技術(shù)，通過納米層Cu/Au再結(jié)晶，將金剛石與硅芯片進(jìn)行結(jié)合，并集成到玻璃中，形成“金剛石-芯片-玻璃”異質(zhì)集成封裝。這種新型封裝結(jié)構(gòu)在保持高性能散熱的同時，顯著降低了界面熱阻，提高了封裝的散熱效率。

研究團(tuán)隊(duì)還將金剛石集成封裝的散熱性能與現(xiàn)有的先進(jìn)散熱技術(shù)進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，金剛石集成封裝的散熱效果優(yōu)于多種現(xiàn)有技術(shù)。例如，納米銀燒結(jié)技術(shù)在高熱通量條件下的溫度降低為14.1℃，而AuSn焊接技術(shù)的溫度降低僅為5.2℃。相比之下，金剛石集成封裝在相同條件下實(shí)現(xiàn)了更大的溫度降低，表現(xiàn)出了更優(yōu)越的散熱性能。

與未集成金剛石的封裝相比，集成了金剛石的封裝在多個高熱通量加熱條件下，芯片的最高溫度降低了約24.1℃，熱阻降低了28.5%。這一結(jié)果表明，金剛石的加入大大提升了封裝的散熱性能。

通過有效降低熱阻，這一技術(shù)為現(xiàn)代電子器件的熱管理提供了全新的解決方案，尤其是在高功率、高性能芯片封裝領(lǐng)域。未來，這一技術(shù)有望進(jìn)一步擴(kuò)展到其他高效冷卻裝置的集成中，如熱電設(shè)備、微通道冷卻器和蒸汽腔冷卻器。

總之，這項(xiàng)研究不僅推動了金剛石在熱管理中的應(yīng)用進(jìn)程，還為未來高性能電子器件的散熱設(shè)計(jì)提供了重要的技術(shù)支持。通過將這一低溫結(jié)合技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際芯片封裝中，為解決異質(zhì)集成系統(tǒng)的熱管理難題邁出了重要一步。

• xMEMS全球首款1mm主動散熱“芯”突破

2024年8月, xMEMS Lab公開了名為“Fan-on-Chip”的高性能冷卻技術(shù)，發(fā)布了最新的行業(yè)變革創(chuàng)新：xMEMS XMC-2400 μCooling芯片，首款全硅微型氣冷式主動散熱芯片，以1mm厚度實(shí)現(xiàn)了前所未有的主動散熱“芯”突破，專為超便攜設(shè)備和下一代人工智能（AI）解決方案設(shè)計(jì)。

在XMC-2400出現(xiàn)之前，一直沒有主動冷卻解決方案，該項(xiàng)技術(shù)未來可能會對智能手機(jī)和平板電腦等超小型設(shè)備帶來重大變革。

XMC-2400的尺寸僅為9.26 x 7.6 x 1.08毫米，重量不到150毫克，比非硅基主動冷卻替代方案小96%、輕96&。與傳統(tǒng)的冷卻解決方案相比，XMC-2400 μCooling芯片在極為緊湊的設(shè)計(jì)下實(shí)現(xiàn)了高效的冷卻，能夠有效解決超小型設(shè)備的發(fā)熱問題。

單個XMC-2400芯片在1000Pa的背壓下每秒可以移動多達(dá)39立方厘米的空氣。這種全硅解決方案提供了半導(dǎo)體的可靠性、部件之間的一致性、高魯棒性，高耐撞并且具有IP58防塵防水等級。

據(jù)悉，xMEMS計(jì)劃在2025年第一季度向客戶提供XMC-2400樣品，預(yù)計(jì)將在2026年應(yīng)用于實(shí)際設(shè)備中。

• 普渡大學(xué)魏體偉：芯片級“兩相沖擊射流冷卻”技術(shù)，將散熱效率提升百倍

普渡大學(xué)機(jī)械工程系魏體偉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將開發(fā)一種創(chuàng)新的“芯片級直接兩相沖擊射流冷卻”方案，可大幅提高數(shù)據(jù)中心整體熱性能，同時降低泵系統(tǒng)的流體輸送功率，為數(shù)據(jù)中心散熱提供了一種新策略。

如何降低熱阻是當(dāng)前業(yè)界在芯片散熱技術(shù)領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的核心問題。

目前，傳統(tǒng)的芯片散熱技術(shù)的熱阻最低可達(dá)到0.3K/W左右，而采用兩相射流沖擊冷卻技術(shù)的芯片散熱熱阻值則可降至0.0035 K/W，降低了兩個數(shù)量級。這樣的降溫效果使芯片的溫度能夠被降低到非常低的水平，與傳統(tǒng)散熱技術(shù)相比，散熱效率提升了50至100倍。

芯片級兩相沖擊射流直接冷卻技術(shù)原理示意（來源：魏體偉）

在技術(shù)原理方面，“兩相沖擊射流冷卻”技術(shù)是將充滿液體的微通道直接構(gòu)建在微芯片封裝內(nèi)部，當(dāng)芯片產(chǎn)生熱量時，液體被加熱至沸騰，產(chǎn)生的蒸汽帶走熱量，隨后蒸汽冷凝并再次循環(huán)，重新開始冷卻過程。

魏體偉表示，“我們開發(fā)的這種散熱技術(shù)并不僅僅是簡單地打個孔通，其中包含了多層微納加工的微小結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成了一個非常復(fù)雜的多層氣液輸運(yùn)分布系統(tǒng)。這樣的設(shè)計(jì)不僅能夠高效散熱，還能夠減小液體流動阻力。事實(shí)上，這是一個十分復(fù)雜的多學(xué)科交叉工程，涉及到芯片、電、熱以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)?！?/span>

通常情況下，CPU 的封裝外層為金屬材質(zhì)的蓋板（Lid），蓋板上涂覆有熱界面材料，然后與散熱器相連接。在金屬蓋板和芯片之間也填充有熱界面材料。然而，由于多層熱界面材料和復(fù)雜的熱界面接觸，導(dǎo)致芯片的總體熱阻很高，散熱效果無法滿足未來高功率密度數(shù)據(jù)中心的散熱需求。

“液體冷卻方案越靠近芯片，芯片結(jié)溫到流體的總體熱阻就會降低，散熱效率也會提高。”魏體偉指出，“我們的散熱方案直接跳過了兩層熱界面材料，將芯片背面全部暴露出來，讓液體射流直接沖擊在芯片背面上，真正實(shí)現(xiàn)了芯片級的封裝冷卻散熱。同時，通過系統(tǒng)流阻設(shè)計(jì)優(yōu)化，我們還降低了散熱系統(tǒng)能耗。換句話說，我們讓冷卻劑直接在芯片封裝內(nèi)部流動進(jìn)行散熱。” 

除此之外，這個研究項(xiàng)目的獨(dú)特之處在于跨尺度和多層級散熱優(yōu)化，不僅需要關(guān)注于半導(dǎo)體微芯片和芯片封裝層面的散熱設(shè)計(jì)，還需要考慮散熱組件、機(jī)架、系統(tǒng)層面，以及數(shù)據(jù)中心本身的布置，從微觀到宏觀，所有這些方面都需要緊密相連，共同實(shí)現(xiàn)高效冷卻及節(jié)能。

魏體偉強(qiáng)調(diào)，除了“芯片級兩相沖擊射流冷卻”技術(shù)外，我們還在同步推進(jìn)多項(xiàng)芯片散熱技術(shù)的研發(fā)。其中，我們正在研發(fā)一種具有超高熱導(dǎo)率的各向異性熱界面材料。簡單來說，就是在芯片的外層封裝金屬蓋板上集成我們開發(fā)的新型熱界面材料，通過與高效的液態(tài)散熱冷卻板的結(jié)合也能夠?qū)崿F(xiàn)更佳的散熱效果。這種設(shè)計(jì)能夠消除冷卻液體直接接觸芯片硅背面可能帶來的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。”

與此同時，魏體偉團(tuán)隊(duì)目前還正在與英特爾、Meta 等公司進(jìn)行洽談，商討和探索一種更為靈活、可拆卸的封裝級液態(tài)散熱集成方案。

• 一種芯片自適應(yīng)微流散熱新進(jìn)展

微流散熱將冷卻工質(zhì)引入微納尺度通道中，通過強(qiáng)制對流換熱將芯片熱量迅速轉(zhuǎn)移，是一種新型高效散熱手段。為滿足可靠性需求，通常根據(jù)芯片極端高功耗計(jì)算恒定散熱功率閾值。但極端功耗工況運(yùn)行時間不足10%，這將導(dǎo)致散熱資源的閑置和浪費(fèi)。

因此，根據(jù)高功率芯片的功耗特性，設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)散熱功率閾值的方法對于提升系統(tǒng)能效具有重要意義。

今年4月，中國科學(xué)院微電子研究所焦斌斌研究員團(tuán)隊(duì)在芯片自適應(yīng)微流散熱領(lǐng)域取得最新進(jìn)展。

本研究提出一種自適應(yīng)動態(tài)閾值散熱方法取代傳統(tǒng)恒定閾值散熱方法。當(dāng)芯片工作處于極端高功耗工況時，該方法利用仿生發(fā)汗行為，通過犧牲冷卻工質(zhì)提供額外散熱能力。采用該方法制備的硅基微流冷板，可通過微通道強(qiáng)制對流實(shí)現(xiàn)的固定閾值及通過自適應(yīng)蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)的動態(tài)閾值，利用記憶合金溫敏閥體結(jié)構(gòu)控制“毛孔”開閉并調(diào)節(jié)工質(zhì)在蒸發(fā)區(qū)內(nèi)“蒸發(fā)汗液”，實(shí)現(xiàn)散熱功率閾值的動態(tài)調(diào)控。

通過仿生汗孔進(jìn)行出汗冷卻的示意圖

相比傳統(tǒng)的微流散熱結(jié)構(gòu)，該冷板既能滿足極端高功耗散熱需求，又能在常規(guī)功耗下有效降低散熱資源消耗，且自適應(yīng)調(diào)控過程所需能量全部來源于芯片自身產(chǎn)熱，無需消耗額外能量。實(shí)驗(yàn)表明，在芯片極端功耗工況下，自適應(yīng)蒸發(fā)可提升80%的散熱能力，使結(jié)溫降低22.3℃。通過進(jìn)一步優(yōu)化蒸發(fā)區(qū)親水性調(diào)節(jié)，排液控制及相變狀態(tài)調(diào)控等工作，芯片在額定工作溫度下功率密度可提升208W/cm2。

該研究成果以“n adaptive thermal management method via bionic sweat pores on electronic devices ”為題已發(fā)表在《Applied Thermal Engineering》。

• 相變冷卻技術(shù)，持續(xù)創(chuàng)新

隨著芯片功率密度的不斷提高，傳統(tǒng)散熱方法（如風(fēng)冷和液冷）在應(yīng)對這些復(fù)雜熱管理需求時顯得力不從心。相變冷卻技術(shù)因其高效的熱管理能力，正在成為一種頗具前景的散熱解決方案。

相變冷卻技術(shù)特別適合用于高功率芯片的散熱管理，尤其在功率密度高、散熱要求苛刻的應(yīng)用中，已在多個高功率芯片散熱前沿領(lǐng)域得到驗(yàn)證。

例如，三星電子在其高性能芯片的散熱設(shè)計(jì)中，采用了石蠟類相變材料。石蠟作為一種典型的有機(jī)相變材料，具有較低的熔點(diǎn)和高潛熱特性，使其在40-60°C的溫度范圍內(nèi)能夠高效地吸收熱量。在具體應(yīng)用中，三星電子通過優(yōu)化芯片封裝結(jié)構(gòu)，將石蠟材料直接集成在芯片封裝內(nèi)，使其與芯片的熱源緊密接觸。

不同相變材料的溫度區(qū)間

該封裝方案不僅利用了石蠟材料的高潛熱特性，還通過精密的封裝工藝，確保熱量能夠高效地傳導(dǎo)至相變材料中，從而在芯片高負(fù)載工作時保持溫度的穩(wěn)定。研究表明，這種設(shè)計(jì)使得芯片的峰值溫度降低了約15%，顯著提升了芯片的熱穩(wěn)定性和工作壽命。

• 微通道相變冷卻系統(tǒng)：麻省理工學(xué)院的納米顆粒增強(qiáng)PCM：麻省理工學(xué)院（MIT）的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種結(jié)合微通道和納米顆粒增強(qiáng)相變材料的先進(jìn)冷卻系統(tǒng)，專門針對高功率密度芯片的散熱需求。在該系統(tǒng)中，研究人員在相變材料中加入了高導(dǎo)熱性的金屬納米顆粒，如銅或鋁納米顆粒，以顯著提升相變材料的導(dǎo)熱性能。通過這種方法，納米顆粒不僅提高了相變材料的整體熱傳導(dǎo)性，還加速了相變過程，使散熱效果更加顯著。

此外，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種微通道結(jié)構(gòu)，使得相變材料在微通道內(nèi)高速流動，進(jìn)一步加速了熱量的傳導(dǎo)和擴(kuò)散。這種設(shè)計(jì)使得芯片在高功率工作狀態(tài)下，溫度能穩(wěn)定維持在較低水平，同時大幅度減少了熱積聚現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在處理每平方厘米200W的功率密度時，能夠?qū)⑿酒瑴囟冉档?0°C以上，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)散熱方法。

• 循環(huán)冷卻系統(tǒng)與長時間穩(wěn)定性：東京大學(xué)的高導(dǎo)熱金屬PCM：日本東京大學(xué)研究人員開發(fā)了一種循環(huán)使用的相變冷卻系統(tǒng)，應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和超級計(jì)算機(jī)等需要長期穩(wěn)定運(yùn)行的高功率設(shè)備。該系統(tǒng)利用一種新型的高導(dǎo)熱金屬相變材料，如銀合金或銦合金，這些材料不僅具有高潛熱，還具備優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和穩(wěn)定的相變溫度。

該冷卻系統(tǒng)的核心在于相變材料的循環(huán)使用：當(dāng)相變材料吸收熱量并發(fā)生相變后，通過液冷系統(tǒng)將其從熱源區(qū)域移出，經(jīng)過冷卻器重新固化后，再次循環(huán)回到熱源區(qū)域進(jìn)行散熱。此過程通過精確控制相變材料的流動和相變過程，實(shí)現(xiàn)了芯片溫度的持續(xù)穩(wěn)定控制。長期測試表明，該系統(tǒng)在一年不間斷運(yùn)行中，芯片溫度波動控制在±2°C以內(nèi)，且相變材料未出現(xiàn)明顯的性能退化。這種高效穩(wěn)定的散熱方案，已在日本國內(nèi)的多個超級計(jì)算機(jī)項(xiàng)目中得到應(yīng)用和驗(yàn)證。

整體來看，相變冷卻技術(shù)在高功率芯片散熱中的應(yīng)用，展現(xiàn)出了高效熱管理、被動冷卻與能效、設(shè)計(jì)靈活性與空間利用等諸多方面的獨(dú)特優(yōu)勢。

隨著相變冷卻技術(shù)的成熟，標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)將推動其在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，如數(shù)據(jù)中心、5G基站、消費(fèi)電子產(chǎn)品等。各行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化推動將有助于相變冷卻技術(shù)的普及和成本降低。

盡管面臨挑戰(zhàn)，但通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和研究進(jìn)展，這一技術(shù)必將在更多高端應(yīng)用中展現(xiàn)出強(qiáng)大的潛力和價值。隨著科技的不斷進(jìn)步，相變冷卻技術(shù)將成為未來電子設(shè)備熱管理的重要組成部分，為實(shí)現(xiàn)更高效、更可靠的電子設(shè)備提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

• SK海力士：HBM MR-MUF熱控技術(shù)

如今，領(lǐng)先的存儲器產(chǎn)品正迅速發(fā)展，以滿足人工智能時代下的高需求。然而，這些進(jìn)步也帶來了一項(xiàng)可能阻礙下一代產(chǎn)品發(fā)展的挑戰(zhàn)——熱量過高。

為解決這一問題，SK海力士取得了前所未有的突破，開發(fā)出了一種名為批量回流模制底部填充（MR-MUF, Mass Reflow-Molded Underfill）的新型創(chuàng)新封裝技術(shù)，可以有效改善芯片的散熱性能。自2019年以來，MR-MUF技術(shù)被應(yīng)用于SK海力士開創(chuàng)性產(chǎn)品HBM2中，使公司在市場競爭中脫穎而出。

作為唯一一家采用MR-MUF技術(shù)的公司，應(yīng)用該技術(shù)的HBM產(chǎn)品的散熱性能獲得客戶一致好評，SK海力士毫無疑問地成為HBM市場的領(lǐng)導(dǎo)者。

在第二代HBM產(chǎn)品HBM2之前，SK海力士的HBM產(chǎn)品一直采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)性熱壓非導(dǎo)電膜（TC-NCF，Thermal Compression Non-Conductive Film）技術(shù)。然而，隨著HBM產(chǎn)品的進(jìn)步，需要更薄的芯片來容納更多的芯片層，因此相應(yīng)的封裝技術(shù)需要控制更多的熱量和壓力。

SK海力士在開發(fā)第三代HBM產(chǎn)品——HBM2E時，將傳熱控制作為改進(jìn)的主要焦點(diǎn)。于2019年推出了新型封裝技術(shù)MR-MUF，繼而徹底改變了HBM市場的未來。

TC-NCF技術(shù)與MR-MUF技術(shù)散熱性能的結(jié)構(gòu)差異

MR-MUF技術(shù)能夠同時對HBM產(chǎn)品中所有的垂直堆疊芯片進(jìn)行加熱和互聯(lián)，比堆疊芯片后填充薄膜材料的TC-NCF技術(shù)更高效。此外，與TC-NCF技術(shù)相比，MR-MUF技術(shù)可將有效散熱的熱虛設(shè)凸塊數(shù)量增加四倍。

MR-MUF技術(shù)另一個重要特性是采用了一種名為環(huán)氧樹脂模塑料（EMC, Epoxy Molding Compound）的保護(hù)材料，用于填充芯片間的空隙。EMC是一種熱固性聚合物，具有卓越的機(jī)械性、電氣絕緣性及耐熱性，能夠滿足對高環(huán)境可靠性和芯片翹曲控制的需求。由于應(yīng)用了MR-MUF技術(shù)，HBM2E的散熱性能比上一代HBM2提高了36%。

此后，MR-MUF技術(shù)持續(xù)升級迭代，引入了業(yè)界首創(chuàng)的芯片控制技術(shù)（Chip Control Technology）和改善散熱效果的新型保護(hù)材料。在此過程中，因其在先進(jìn)MR-MUF技術(shù)中應(yīng)用的新型EMC與原始MR-MUF技術(shù)中的EMC相比，使散熱性能提高了1.6倍，SK海力士再次實(shí)現(xiàn)材料創(chuàng)新。

HBM產(chǎn)品發(fā)展及散熱性能優(yōu)化時間線

時至2024年，SK海力士已成為首家量產(chǎn)HBM3E的公司，這是最新一代、擁有全球最高標(biāo)準(zhǔn)性能的HBM產(chǎn)品。在應(yīng)用先進(jìn)的MR-MUF技術(shù)后，與上一代8層HBM3相比，HBM3E在散熱性能方面提高了10%，成為人工智能時代炙手可熱的存儲器產(chǎn)品。

展望未來，公司將繼續(xù)保持其在HBM領(lǐng)域的市場主導(dǎo)地位，并宣布計(jì)劃將下一代HBM4產(chǎn)品的量產(chǎn)提前至2025年。

寫在最后

未來，隨著AI、3DIC、先進(jìn)封裝及其它新興技術(shù)的不斷推進(jìn)，芯片的性能和功耗將面臨更大挑戰(zhàn)。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，如何有效管理和降低芯片的熱量問題，將是行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要課題，也將持續(xù)推動更多創(chuàng)新的散熱技術(shù)和方法的出現(xiàn)，以滿足不斷增長的高性能計(jì)算需求。

文章參考：

1.朱俞翡：Industrial Technology Innovation

2.問芯：專訪普渡大學(xué)魏體偉：研發(fā)芯片級“兩相沖擊射流冷卻”技術(shù)將散熱效率提升百倍，正籌建公司實(shí)現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)化

3.Carbontech：華為、廈大合作創(chuàng)新，金剛石熱管理技術(shù)！

4.粉體圈：解決AI芯片散熱難題：導(dǎo)熱材料如何助力？

5.Applied Thermal Engineering 

6.馭勢資本：揭秘新一代芯片散熱技術(shù)，保障性能穩(wěn)定

7.熱管理行家：高功率芯片散熱中的相變冷卻技術(shù)

8.Wayne Williams：Bionic ceramic wick for Loop Heat Pipes (LHPs) was inspired by leaf stomata

9.Electronics360：液冷技術(shù)支持 NVIDIA 先進(jìn) GPU，實(shí)現(xiàn)可持續(xù) AI

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