将水通道集成到芯片中!台积电提出革命性片上芯片水冷技术

2021-07-13 13:00:13 来源:EETOP
台积电最近在VLSI 研讨会上展示了其对片上水冷作为解决散热问题的一种方式的研究。它涉及将水通道直接集成到芯片的设计中。

 

由于更密集的制造技术和增加的垂直 3D 芯片堆叠,晶体管越来越多地压缩在一起,温度成为需要解决的越来越关键的问题。台积电的研究人员认为解决方案是让水在夹层电路之间流动。这是一个非常简单的理论解决方案,但对于电子产品而言,这是一项极其困难的工程壮举。

当前的冷却解决方案通常通过与给定芯片的散热器直接接触,直接芯片接触技术或完全浸没在非导电流体中来工作。其中,前两种解决方案只能有效地冷却它们直接接触的层,这给垂直芯片堆叠带来了巨大的问题。较低的层在散热方面会遇到更多困难,会造成损坏,这两种情况都会对性能不利。

不仅如此,芯片的顶层也会有额外的压力,因为它基本上要把整个封装的热量带到散热层。而液体浸没虽然高效,而且可能对堆叠的芯片更好,但在已经适合空气或传统水冷的专业场景中,却很昂贵,而且难以部署。

 

 

 

 

 

 

台积电在受控实验室条件下对虚拟半导体进行了测试 - 一种热测试载体 (TTV),它本质上是一种由铜制成的加热元件。该公司在可控条件下测试了三种硅水通道的集成:一种是基于柱状结构的通道,水可以在有源半导体柱周围流动以冷却它们(想想岛屿周围的水);以沟渠设计为特色的设计(想象一条被河岸控制的河流);在硅芯片的其余部分上安装一个简单的平坦的水通道。水通过一个外部冷却机制,将水通过硅芯片的过程冷却到25ºC。

台积电进一步测试了三种类型的水冷设计:一种只有直接水冷 (DWC),作为制造过程的一部分,水有自己的循环通道直接蚀刻到芯片的硅片中;另一种设计将水通道蚀刻到芯片顶部自己的硅层中,使用 OX(氧化硅融合)的热界面材料 (TIM) 层将热量从芯片传递到水冷层;最后是一种将 OX 层换成更简单,更便宜的液态金属解决方案的设计。

台积电报告说,目前最好的解决方案是直接水冷方法,它可以消散高达2.6千瓦的热量,提供63 ºC的温度差。第二好的设计自然是基于OX TIM的设计,它仍然可以散去2.3千瓦的热量,提供83 ºC的温度差。液态金属解决方案排在最后,仍能散发出1.8千瓦的热量(温度差为75 ºC)。在所有的水流设计中,柱式设计是迄今为止最好的。

 

 

 

 

当然,在这种奇特的冷却解决方案被纳入主流之前,还需要数年时间。但这绝对是实现晶体管密度持续增加,持续改善最重要的单位面积性能指标以及未来3D半导体的发展方向之一。

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