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如何讓電力電子產品和光電感測器有效降溫
 

【作者: Philippe Soussan】   2020年01月09日 星期四

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晶粒密度日益增長所帶來的不利因素便是系統熱生成會急遽升高。舉例而言,採用最新一代電力電子元件的智慧工廠或智慧交通應用便是如此。愛美科感測與致動研究單位的計畫主持人Philippe Soussan及其團隊,提出了一項冷卻解決方案,該解方採用優化且基於矽的微通道(microchannel)結構,能夠大量排除多餘的熱能。此外,它還易於調適供其他應用使用。


熱生成—晶粒密度增長所帶來的不利因素

讓越來越多小型化且高效能的元件集結在日益縮小的封裝上,是製造電子產品的一大趨勢。這項發展在微電子產業眾所皆知,也使得3D整合技術越來越常獲得採用,以用來建立精密且高效能的電腦系統,同時作為進一步延續莫爾定律的手段。這項趨勢也漸漸出現在由系統限制(system constraints)驅動的各式相關應用領域,像是智慧工廠和智慧交通。


目前,智慧機器人解決方案—透過感測器和致動器進行自主導引(self-guided),都配備精密的高效能微系統。一般來說,這些系統配備最新一代電力電子產品,能夠以高頻運作,且能耐高溫。


然而,晶片朝高密度發展所帶來的不利因素便是系統熱生成會急遽升高,對系統性能和可靠度帶來負面影響。

當前的氣冷式解決方案還不足以排除小型封裝內的多餘熱能。這種情況就需要創新技術來排除小型系統區內大量的熱能。


就智慧工廠機器人或自駕車而言,要符合他們(對例如功率元件)的散熱要求,可是困難重重。散熱片一定要堅固耐用、低成本且具備高冷卻性能—能夠達到500W/cm2甚至更高的散熱水準。如果要用液體來散熱,那麼絕不能容許任何滲漏流至系統。再者,任何附有液體的冷卻系統,其安置空間都十分有限,而且不能限制機器人的機動性。


為何要選擇微流道散熱片?

多年來,各種冷卻解決方案一直在開發中,包含氣冷式散熱片、二級製冷(two-phase refrigeration)和噴射冷卻系統(jet impingement systems),各有各的優劣。結果發現,在各式途徑中,微通道(microchannel)結構在散熱片應用上很有效果。這些微通道被當作某一冷卻液體(例如水)流動的通道—就散熱而言,冷卻液體一般來說比氣體還有效,原因是液體的熱導係數和比熱較高。藉由將液體抽送至體積小、平行且高深寬比的微通道結構,熱對流面積及熱傳係數會增加,讓熱能得以高熱通量散逸。


自1980年代初期問世以來,微通道陣列一直被廣泛研究。雖然說運用微通道讓電子產品降溫很吸引人,但要正式採用並節省其建置成本,至今仍具挑戰性。


成本問題能透過採用基於矽的製程來解決—因為矽是高導熱的固體。基於矽的生產技術大幅借助平行製造的製程,讓裝置能以高品質、低成本製造,還具有高收益和量產的好處。


為了提升微通道的熱傳遞性能,不同佈局中的通道尺寸和結構多樣性正在不斷開發中。眾多案例顯示,必須在降低整體熱阻和增加通道間的壓降之間做出取捨,而據悉,這會對熱傳遞性能帶來負面影響。


愛美科的方法:調整通道尺寸

愛美科的研究團隊已發展出基於矽的微通道散熱片,它可以單獨製造,再接合至目標散熱晶片的晶背。


該團隊的主要目標是將系統的整體熱阻最小化,做法是優化散熱片在既定流率(flow rate)和壓降下的通道寬度和深度,並找出接合兩晶片的最佳化製程。


連續筆直通道的最佳化尺寸由解析(analytical)和數值(numerical)計算取得,並以試驗的方式驗證。在解析研究後可得熱阻的總值,也可以說是熱傳導阻抗、熱對流阻抗、熱阻和接觸電阻的總和。熱對流阻抗能解釋熱從固態的散熱片表面傳遞至液體的能力,該數值很大程度上取決於通道尺寸。接觸電阻則說明兩矽片間的介面熱阻,且能透過優化接合製程來達到最小化。


一旦找到既定流率和壓降下優化的微通道幾何結構和接合參數,就來執行3D熱能和流體模擬,以預測該散熱片的流體性能和熱行為。


透過採用上述方法,微流道散熱片的設計和製造就能依照任何外在系統限制進行調整,像是空間或液體的供給限制。

關鍵材料:高深寬比的微結構

上述方法在開發優化且基於矽的微流道散熱片時予以採用,該散熱片最大流率為150mL/min,最大壓降為2.5bar。



圖一 : 微冷卻器的示意圖
圖一 : 微冷卻器的示意圖

解析計算顯示,深度介於150-250μm的通道,其優化通道寬度約為20-30μm。基於這些計算結果,通道寬度為30μm且目標深度為250μm的微結構便設計出來了。



圖二 : 假設流率為150mL/min,且最大壓降為2.5bar,此圖為在考量不同通道尺寸的情況下,針對熱阻總值的解析計算。
圖二 : 假設流率為150mL/min,且最大壓降為2.5bar,此圖為在考量不同通道尺寸的情況下,針對熱阻總值的解析計算。

接著,依此尺寸製造微通道散熱片,並採用進階的CMOS相容矽製程。深反應式離子蝕刻製程(deep reactive-ion etch;DRIE)特別被用來製造這些深寬比具挑戰性的微通道—微冷卻器的關鍵元件。



圖三 : 高深寬比微通道的掃描式電子顯微鏡(scanning electron micrograph;SEM)影像
圖三 : 高深寬比微通道的掃描式電子顯微鏡(scanning electron micrograph;SEM)影像

這種散熱片可以利用熔融接合和熱壓接合來搭接至任何要散熱的晶片背面。本研究採用5x5mm2的測試熱晶片,該晶片能生成高熱通量,並透過鎢製(tungstan;W)電阻器來感測溫度變化。藉著運用優化的銅/錫金(Cu/Sn-Au)介面,介面兩側的接觸熱阻就能達到極低。



圖四 : 愛美科基於矽的微流體散熱片影像。
圖四 : 愛美科基於矽的微流體散熱片影像。

堅強耐用且完全密封的通道在所謂的「閉合通道(closed channel)」佈局中製成。愛美科團隊也研究了替代佈局,叫作「開放通道(open channel)」。在此佈局中,更低的熱阻可望實現。然而,所有通道的密合全然仰賴兩矽片的接合製程—這也是相對具挑戰性的方法。或者,製作通道的晶圓可以直接以晶圓級進行接合,以達到更低的熱阻。


冷卻成果:功率消耗達到600W/cm2甚至更高

愛美科研發的精密散熱片由測試熱晶片組裝,在泵功率(pump power)小於2W的情況下,整體熱阻能降低至0.34K/W。


該散熱片實現的熱通量散逸比其他傳統氣冷式散熱片還高得多。這也讓元件溫度維持在攝氏100度以下的同時,還能讓功率消耗超過600W/cm2。


該致冷晶片通常具有67條平行通道,建置在約為幾十平方毫米的小型封裝。


冷卻新一代應用

對任何處理高性能熱能管理的寬能隙光電材料應用,以及讀取與驅動電路冷卻應用來說,該致冷晶片的冷卻性能和量身打造的晶片設計讓愛美科提議的解方顯得格外吸引人。


部份相關應用如下:


* 供下一代電信系統使用,配備高性能定向天線的射頻/毫米波模組:這類模組通常靠著結合熱生成功率放大器來傳遞強脈衝至天線。目前的解決方案仍十分佔空間。


* 基於氮化鎵(GaN)或矽的下一代電力電子模組:這些模組通常用於汽車、機器人和新世代電動車的引擎、傳動系統和電動馬達管理。


* 用於光線探測及測距(LiDAR)或光譜量測(spectrometry,仰賴三五族材料的整合,並運用CMOS和光子學技術)的新型整合感測器:基於自由空間光學的現行系統在本質上無法擴增規模。尤其是雷射整合設備,未來需要一項有效的冷卻解決方案。


* 在實驗室晶片(lab-on-chip)應用中,特製微機電系統(MEMS)的溫度管理:這些系統通常有一顆連接至MEMS(流體)裝置的驅動和讀取IC。這種微系統在生醫界正廣泛獲得採用,而生醫用晶片溫度需維持低溫,以避免破壞多樣的(生)化學試劑。


總結

愛美科已提出微型且基於矽的微流體散熱片,該解決方案展現了超過600W/cm2的熱功率消耗。該裝置的熱性能比文獻資料中的微電子冷卻器要來得好。該裝置的核心在於體積小、平行且高深寬比的微通道結構、採用CMOS相容的製程,因而確保終端裝置的成本低。


這項解決方案的一大優點,便是在晶片設計和製造前就能準確預測並優化流體性能和熱行為的能力,這讓該解方能根據不同應用的要求和限制,像是根據可用的空間或液體供給額度,輕鬆進行調整。


這項新的冷卻方法可能可以面對各式系統中新一代電力電子元件、感測器和高性能裝置帶來的熱能挑戰。該提議解方可望實現微電子產業外的其他應用。


(本文由愛美科授權刊登,作者Philippe Soussan為愛美科感測與致動研究單位的計畫主持人;編譯/吳雅婷)


**刊頭圖(source:publishing.aip.org)


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