專訪普渡大學(xué)魏體偉：研發(fā)芯片級(jí)“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

近年來，AI 算力需求呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，隨著 AI 芯片性能的不斷提高，其背后的推手 —— 大型數(shù)據(jù)中心的功耗和發(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。

以美國(guó)為例，用于承載計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)系統(tǒng)和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)中心，約占美國(guó)總電力消耗的 2%，而數(shù)據(jù)中心的制冷占據(jù)整體數(shù)據(jù)中心能源使用量的高達(dá) 40%。除了能耗巨大，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的熱量也極為嚴(yán)重，散熱不良不僅影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和使用壽命，還限制了計(jì)算能力的進(jìn)一步提升。

傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱方案已無(wú)法滿足未來大型數(shù)據(jù)中心的散熱需求。為了開發(fā)面向未來數(shù)據(jù)中心的新型散熱技術(shù)，美國(guó)能源部能源高級(jí)研究計(jì)劃局（ARPA-E）于 2022 年發(fā)布了“COOLERCHIPS”計(jì)劃，旨在優(yōu)化數(shù)據(jù)中心信息處理系統(tǒng)的能源、可靠性和超高碳效率。該計(jì)劃投入了 4,000 萬(wàn)美元用于推動(dòng)數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)研究項(xiàng)目，目標(biāo)是將數(shù)據(jù)中心的 IT 設(shè)備工作負(fù)載的冷卻能耗從目前的 30%-40%，大幅降低到數(shù)據(jù)中心總能耗的 5%。

ARPA-E 選定了包括公司（英特爾、英偉達(dá)、雷神技術(shù)研究中心及惠普）和大學(xué)在內(nèi)的 15 家單位，共同啟動(dòng) COOLERCHIPS 計(jì)劃。作為入選的 15 個(gè)項(xiàng)目之一，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(jí)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(shí)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。

該設(shè)計(jì)包括用于冷卻結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的新算法，用于多孔性潤(rùn)濕層的激光粉床熔融直接打印的新型芯片級(jí)直接打印方法，以及用于增材制造的多輸入 / 多輸出流體分配集成管路。

近日，「問芯」采訪到了普渡大學(xué)的魏體偉教授。在采訪中，他就芯片級(jí)兩相沖擊射流液冷技術(shù)的原理、芯片級(jí)封裝散熱技術(shù)的研發(fā)和未來發(fā)展方向，以及芯片三維集成封裝等多個(gè)方面進(jìn)行了分享和解讀。

圖｜美國(guó)普渡大學(xué)機(jī)械工程系助理教授魏體偉（來源：受訪者）

魏體偉博士畢業(yè)于歐洲微電子研究中心（imec），其研究方向主要圍繞芯片級(jí)三維系統(tǒng)集成以及散熱技術(shù)。隨后，他加入了斯坦福大學(xué)機(jī)械工程系納米傳熱研究組進(jìn)行博士后研究。在 2022 年，魏體偉正式加入了美國(guó)普渡大學(xué)，并擔(dān)任該校機(jī)械工程系的助理教授。他實(shí)驗(yàn)室（Semiconductor Packaging Laboratory: https://s-pack.org/）當(dāng)前的研究方向主要包括芯片級(jí)三維系統(tǒng)集成技術(shù)、半導(dǎo)體互連和封裝技術(shù)，以及芯片級(jí)散熱技術(shù)等領(lǐng)域。

兩相沖擊射流液冷技術(shù)可將芯片熱阻降低 2 個(gè)數(shù)量級(jí)

“數(shù)據(jù)中心用于承載計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)系統(tǒng)和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的電力消耗約占美國(guó)總電力消耗的 2%。數(shù)據(jù)中心耗電很大程度上主要是由于 數(shù)據(jù)中心的散熱效率較低 所導(dǎo)致的，因此，解決了散熱問題能夠帶來更好的節(jié)能效果，同時(shí)減少電力消耗。這也是能源部門啟動(dòng)項(xiàng)目招標(biāo)的原因。”魏體偉解釋道。

傳統(tǒng)的散熱技術(shù)往往是在芯片封裝完成后，在其表面涂覆一層熱界面材料導(dǎo)熱膠，再通過外接的風(fēng)冷或水冷散熱器來實(shí)現(xiàn)冷卻降溫。然而，這種散熱方式的熱阻受限于芯片表面和散熱器之間的這層低熱導(dǎo)率熱界面材料，也是目前散熱技術(shù)的主要局限所在。

“我們提出的解決方案就是專門針對(duì)下一代數(shù)據(jù)中心散熱的‘芯片級(jí)兩相沖擊射流直接冷卻’技術(shù)，目前已經(jīng)獲得美國(guó)能源部 200 萬(wàn)美元的資助。”他表示，“當(dāng)然，ARPA-E 提出的要求也非常嚴(yán)格，其中一個(gè)核心指標(biāo)是需要 達(dá)到一定的超低芯片熱阻以及系統(tǒng)流體輸送功耗 。”

所謂熱阻，是指當(dāng)有熱量在物體上傳輸時(shí)物體兩端溫差與熱源的功率之間的比值，這是評(píng)估一項(xiàng)散熱技術(shù)性能高低的重要指標(biāo)之一。

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 0.3 K/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(gè)數(shù)量級(jí) 。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 。”他指出。

圖｜芯片級(jí)兩相沖擊射流直接冷卻技術(shù)原理示意（來源：受訪者）

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(shí)，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。

“需要注意的是，我們開發(fā)的這種散熱技術(shù)并不僅僅是簡(jiǎn)單地打個(gè)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(gè)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(dòng)阻力。事實(shí)上，這是一個(gè)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)。”魏體偉指出。

圖｜兩相沖擊射流直接冷卻解決方案實(shí)拍（來源：受訪者）

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(wú)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(huì)降低，散熱效率也會(huì)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(jí)的封裝冷卻散熱。同時(shí)，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(dòng)進(jìn)行散熱。” 他說道。

“除此之外，這個(gè)研究項(xiàng)目的獨(dú)特之處在于 跨尺度 和 多層級(jí)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。”他指出。

“此前，我們?cè)_發(fā)出一項(xiàng)單相的沖擊射流散熱技術(shù)，將芯片封裝到散熱器之間的兩層熱界面材料全部去掉，實(shí)現(xiàn)了更高效的芯片級(jí)直接冷卻散熱。事實(shí)上，我們?cè)乳_發(fā)的‘單相沖擊射流’技術(shù)已經(jīng)取得了不錯(cuò)的散熱效果。該技術(shù)可以使每平方厘米的芯片冷卻能力 達(dá)到 350 W ，或每平方毫米約 3.5 W，比常見的冷卻器提升了 3.5 倍。”魏體偉說道，“但考慮到未來數(shù)據(jù)中心的更高散熱需求，我們此次開發(fā)了這種‘兩相流’技術(shù)，以進(jìn)一步提升散熱效率，目標(biāo)是可以使每平方厘米的芯片冷卻能力 達(dá)到 500 W 到 800 W 。”

“現(xiàn)階段，除了‘芯片級(jí)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(jiǎn)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) 。”他介紹說。

“與此同時(shí)，我們團(tuán)隊(duì)目前正在與英特爾、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(jí)液態(tài)散熱集成方案。”他表示。

“未來數(shù)據(jù)中心的散熱技術(shù)將是封裝級(jí)、芯片級(jí)的液體冷卻”

談及未來針對(duì)大型數(shù)據(jù)中心的理想散熱解決方案，魏體偉認(rèn)為液態(tài)冷卻一定是未來的趨勢(shì)。“具體要區(qū)分不同時(shí)間段，在短期內(nèi)，比如未來 3-5 年，借助‘高熱導(dǎo)率熱界面材料 + 高性能散熱器’可以應(yīng)對(duì)一定的散熱需求，但這種散熱方式仍然需要一層熱界面材料。”他表示。

“而在中長(zhǎng)期，比如 5 年乃至 10 年之后，散熱技術(shù)將不再依賴于熱界面材料。這也是 COOLERCHIPS 項(xiàng)目計(jì)劃所要解決的問題，即開發(fā)面向下一代數(shù)據(jù)中心的新型散熱技術(shù)。因此， 未來一定是面向封裝級(jí)、芯片級(jí)的直接液態(tài)散熱技術(shù) 。”魏體偉說道。

不同于市場(chǎng)上常見的散熱技術(shù)，如顯卡通常采用的熱管散熱技術(shù)，以及智能手機(jī)采用的真空腔均熱板散熱技術(shù)（Vapor Chamber）等。“我們現(xiàn)在所開發(fā)的單相、兩相液體散熱屬于 芯片級(jí)的散熱技術(shù) 。這些技術(shù)面向數(shù)據(jù)中心、通訊基站以及汽車（例如用于智能駕駛芯片散熱）等領(lǐng)域，而目前階段還無(wú)法用于消費(fèi)電子和微型設(shè)備領(lǐng)域。主要原因在于考慮到體積問題，主動(dòng)散熱需要水泵，而微型電子設(shè)備如手機(jī)等難以進(jìn)行這種集成，更多依賴于被動(dòng)散熱技術(shù)。”他表示。

“目前，包括熱管、真空腔均熱板等通常在工廠生產(chǎn)出成品，然后使用導(dǎo)熱膠將其集成在芯片上。總體而言，這些設(shè)備都屬于封裝外組件散熱的范疇，而我們團(tuán)隊(duì)開發(fā)的則是將散熱封裝到芯片內(nèi)部、集成在芯片中。”魏體偉指出，“開發(fā)芯片級(jí)散熱技術(shù)涉及到微納加工、芯片封裝集成等多種前沿技術(shù)，其中存在許多技術(shù)壁壘，但卻能帶來更佳的散熱效果。”

“除了開發(fā)芯片級(jí)散熱技術(shù)，我們課題組同時(shí)也在圍繞芯片的 三維系統(tǒng)集成和封裝技術(shù) 展開研究。”他介紹道。

隨著電子設(shè)備對(duì)器件小型化、多功能系統(tǒng)集成等需求的增加，芯片的三維集成封裝技術(shù)展現(xiàn)出廣闊前景，并變得越來越重要。“三維集成通過 在垂直方向上堆疊多層芯片來提高集成度 ，能夠降低金屬互連線長(zhǎng)度并減小互連延遲，是當(dāng)今‘后摩爾時(shí)代’下推動(dòng)半導(dǎo)體工藝技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿Α！蔽后w偉表示。

在他看來，芯片三維集成封裝的關(guān)鍵互連技術(shù)有兩點(diǎn)，第一， 硅通孔技術(shù) ，第二， 芯片鍵合技術(shù) 。“我們實(shí)驗(yàn)室目前正在圍繞這兩項(xiàng)核心技術(shù)展開研究，具體而言，我們關(guān)注的是 亞微米級(jí) 的硅通孔和芯片鍵合技術(shù)。”他說道，“目前臺(tái)積電硅通孔技術(shù)通孔的直徑大約是 10 微米，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用，而我們正在開發(fā)的是 500 納米 ，尺寸更小，可以集成更多，但隨之而來的是難度更大。”

值得一提的是，不久前，魏體偉團(tuán)隊(duì)研發(fā)的一種新型的用于細(xì)間距銅 / 錫微焊球三維互連的銅微孔輔助鍵合方法，榮獲了 2024 年度國(guó)際電子封裝大會(huì)的獎(jiǎng)項(xiàng)。

圖｜基于銅微孔輔助鍵合的三維集成封裝技術(shù)示意（來源：受訪者）

據(jù)介紹，今年 11 月，普渡大學(xué)將舉辦一場(chǎng)電子和光子封裝可靠性研討會(huì)（REPP），魏體偉擔(dān)任該研討會(huì)總主席。“ 可靠性 在半導(dǎo)體封裝設(shè)計(jì)和制造中常常被忽視，我們舉辦此次研討會(huì)希望能夠聚集電氣、材料、機(jī)械以及計(jì)算機(jī)工程師和科學(xué)家，共同探索電子和光子封裝領(lǐng)域的最新技術(shù)。”他表示。

產(chǎn)業(yè)化層面，圍繞芯片封裝，魏體偉在國(guó)內(nèi)已經(jīng)獲得了 10 余個(gè)技術(shù)專利；在美國(guó)，他在芯片級(jí)封裝及散熱領(lǐng)域已經(jīng)取得了 6 個(gè)技術(shù)專利授權(quán)。

“我們圍繞芯片級(jí)散熱技術(shù)項(xiàng)目獲得了 ARPA-E 的資助，而 ARPA-E 還有另外一個(gè)重要使命是資助年輕學(xué)者并鼓勵(lì)他們將開發(fā)的先進(jìn)技術(shù) 推向市場(chǎng) 。因此，基于這些專利，我計(jì)劃在不久的將來成立一家公司，開發(fā) 芯片級(jí)散熱技術(shù) 和用于封裝在芯片內(nèi)部的 高熱導(dǎo)率新型熱界面材料 。”魏體偉說道。

參考資料：

1.https://medium.com/purdue-engineering/making-semiconductors-dense-and-cool-457a5e1db221

2.https://engineering.purdue.edu/ME/News/2023/from-micro-to-macro-cooling-data-centers-from-the-inside-out