現如今，密集的電子設備產生的熱量是一種昂貴的資源消耗。為了使系統保持在合適的溫度以獲得最佳的計算性能，美國的數據中心冷卻系統消耗的能源和水的消耗量與費城的所有居民一樣多。現在，通過將液體冷卻通道直接集成到半導體芯片中，研究人員希望至少在電力電子設備中減少這種損耗，使其體積更小、成本更低、能耗更低。

　　傳統上，電子設備和熱管理系統是分開設計和制造的，瑞士洛桑埃科爾理工學院的電氣工程教授Elison Matioli說。這給提高冷卻效率帶來了一個根本性的障礙，因為熱量必須在多個材料中傳播相對較長的距離才能去除。例如，在今天的處理器中，熱材料虹吸管將熱量從芯片轉移到體積龐大的風冷銅散熱片上。

　　為了獲得更節能的解決方案，Matioli和他的同事開發了一種低成本的工藝，將微流控冷卻通道的3D網絡直接放入半導體芯片中。液體比空氣更能去除熱量，其想法是將冷卻液千分尺遠離芯片熱點。

　　但與之前報道的微流控冷卻技術不同，他說：“我們從一開始就設計電子器件和冷卻系統。”因此，微通道就在每個晶體管器件的有源區下方，在那里它的溫度最高，這使冷卻性能提高了50倍。他們在近日的《自然》雜志上報道了他們的共同設計理念。

　　研究人員早在1981年就提出了微通道冷卻技術，而Cooligy等初創公司也一直在追求處理器的理念。但半導體產業正從平面器件轉向三維器件，并朝著多層結構的未來芯片發展，這使得冷卻通道變得不切實際。“這種嵌入式冷卻解決方案不適用于現代處理器和芯片，如CPU，”TiweiWei說，他在比利時的Interuniversity Microelectronics Center和KU Luuven研究電子冷卻解決方案。“相反，這種冷卻技術對電力電子最有意義，”他說。

　　電力電子電路管理和轉換電能，廣泛應用于計算機、數據中心、太陽能電池板和電動汽車等領域。他們使用了大面積分立器件，由寬禁帶半導體如氮化鎵制成。這些設備的功率密度在過去幾年里急劇上升，這意味著它們必須“與一個巨大的散熱器掛鉤”，Matoli說。

　　最近，電力電子模塊已經轉向液體冷卻，無論是通過冷板還是微通道冷卻系統。但是，迄今為止，所有的微通道冷卻系統都是單獨制造的，然后與芯片結合。鍵合層增加了耐熱性，通道和電路設備不緊密對齊。

　　“我們把它提升到了下一個水平，”Matoli說，通過在同一芯片中制造設備和冷卻通道。他們在涂覆在硅襯底上的氮化鎵層中蝕刻微米寬的裂痕。縫長30μm，深115μm。利用特殊的氣體刻蝕技術，它們拓寬硅襯底上的縫隙，形成液體冷卻液通過的通道。

　　然后，研究人員利用銅密封氮化鎵層中的微小開口，在上面制造設備。他說：“我們只在晶圓的微小區域有微通道，這些微通道與每一個晶體管都有接觸。這使得這項技術更加有效，因為我們可以從附近提取大量的熱量，但我們使用的抽水功率非常小。”

　　作為演示，研究人員制作了一個由四個Schottky二極管組成的交流-直流整流電路，每個二極管可以處理1.2kV的電壓，像這樣的電路通常需要一個拳頭大小的散熱器。但是集成了液體冷卻系統的電路芯片安裝在一塊U盤大小的印刷電路板上，電路板由三層組成，上面刻有通道，將冷卻液輸送到芯片上。

　　該顯示表明，功率密度超過1700瓦/平方厘米的熱點，僅使用0.57瓦/平方厘米的泵送功率就可以冷卻。與之前報道的微流控通道冷卻相比，性能提高了50倍。

　　Wei說，“氮化鎵薄膜和銅密封層的可靠性應該隨著時間的推移進行研究。但這種創新的冷卻解決方案是朝著“低成本、超緊湊合節能的電力電子冷卻系統”邁進的一大步。”