随着电子设备变得越来越小、密度越来越高，它们也变得越来越热。它们的组件在高温下无法发挥最佳功能，因此，处理电子在这些不断缩小的物品中的半导体中流动时产生的不断升级的热量，是一项巨大且日益紧迫的技术挑战。
有多种冷却组件的方法，从简单的风扇冷却热交换器到更紧凑和复杂的系统。后者之一包括为半导体芯片配备一个微型设备，该设备具有贯穿其中的流体微通道，以带走热量。这些通道必须尽可能小，以便在单个芯片上容纳更多通道。但是，通道越小，液体流动所需的压力就越大——而这种压力可能需要大量能量。
现在，洛桑瑞士联邦理工学院 (EPFL) 的科学家表示，他们开发了一种新技术，使此类系统更节能。在这种新颖的方法中，微通道网络——其结构设计灵感来自人体循环系统——构建在半导体内部，而不是事后附加到半导体上。研究结果于周三发表在《自然》杂志上。
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EPFL 电气工程学院的教授 Elison Matioli 和他的同事使用了一种芯片，该芯片包含一层称为氮化镓或 GaN 的半导体材料薄层，覆盖在较厚的硅衬底之上。在普通的芯片中，该衬底仅支撑 GaN 层。但在新系统中，微通道雕刻在衬底内部，并定位为与芯片中最容易发热的部分完全对齐。
为了解决将水或其他冷却液泵送通过微小通道所需的高能量问题，研究人员设计了一个由更宽通道组成的分配网络，该网络仅在热量集中的精确位置变窄。这种布置大大减少了所需的总能量。
“这就像人体循环系统，它由较大的血管组成，这些血管仅在身体的某些区域变细，转变为毛细血管，”Matioli 说。实验——其中一些实验不得不在 COVID-19 大流行关闭电气工程学院的设施后，在一个研究人员的公寓里建造的实验室中进行——表明，该系统的性能系数（衡量其效率）比另一种使用均匀宽度微通道且未集成在半导体内的冷却技术高 50 倍。
该方法的主要突破是创新的制造方法，该方法在单个制造过程中集成了电子和冷却结构，该论文的同行评审员之一、比利时校际微电子中心和 KU Leuven 的研究员 Tiwei Wei 说。他补充说，这种集成有助于使微通道更靠近特定的过热区域，从而更有效地降温。
“这是一篇重要的论文，因为它弥合了两个社群之间的差距：电力电子社群和电子冷却社群。目前，大多数研究都将它们分开对待，”德克萨斯大学达拉斯分校机械工程系助理教授 Xianming (Simon) Dai 说，他没有参与这项研究。
热工程通常是事后才考虑的事情，仅在电气系统设计完成后才考虑。但伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学与工程学教授兼 Ralph A. Andersen 捐赠主席 William King 指出，一些研究小组已开始考虑电子和冷却解决方案协同设计的概念。“这篇论文展示了一个重要的贡献，真正展示了什么是可能的，”同样没有参与这篇新论文的 King 说。
Wei 认为，该研究的局限性之一是它将创新的冷却解决方案应用于相对简单的测试案例。“未来的方向是将该概念应用于最先进的转换器设计，”他说，并补充说，他对微通道顶部的薄 GaN 层的结构完整性也有疑问。“我担心的是，从长远来看，流经设备下方通道的液体可能会导致应力，从而影响设备。”
King 说，这项研究的下一步应该是证明可以在其他材料中使用微流体冷却通道，并探索更先进的三维几何形状的可能性。“随着这个概念的成熟，”他说，“我相信这些设计将越来越像人体循环系统中的毛细血管网络，其中大通道与分支结构中的小通道相连。”
King 指出，热管理是所有类型电子设备（尤其是混合动力汽车和电动汽车、电网和通信中使用的电力电子设备）的主要限制。
“原则上，这项技术可以用于所有类型的电子设备：例如，冷却计算机芯片或在太阳能电池板或电动汽车等可能具有高功率密度的应用中，”Matioli 说。他补充说，但这不太可能为所有电子设备提供实用的解决方案，因为在某些应用中，不希望液体在电子部件内部循环。
Matioli 认为这项技术在数据中心方面具有巨大潜力，数据中心消耗大量能源——其中大部分用于冷却系统。他说，仅美国所有数据中心加起来消耗的电力和水量就堪比费城这样城市的居民需求。平均而言，数据中心使用的能源中有 30% 用于冷却。他的团队的论文认为，通过采用新方法，这项支出可能会大幅下降。