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芯片液冷散热技术获得重大突破冷却性能系数达
作者:yobet体育    发布日期:2020-11-22 18:20


  近年来,研究人员开始探索将液体冷却模块直接嵌入芯片内部,以实现更加高效的制冷效果的新技术,但这一技术仍未解决电子设备和冷却系统分开处理的困境,从而无法发挥嵌入式冷却系统的全部节能潜力。

  9 月 9 日,来自瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)电气工程研究所功率和宽带隙电子研究实验室(POWERlab)的 Elison Matioli 教授及其博士生 Remco Van Erp 等研究人员,在 Nature 上发表了一项最新研究成果,在芯片冷却技术方面实现了新的突破。

  研究人员使用微流体电子协同设计方案,在同一半导体的衬底内将微流体和电子元器件进行协同设计,生产出一个单片集成的歧管微通道冷却结构,可以有效地管理晶体管产生的大热通量。

  研究结果表明,该冷却结构仅使用 0.57 瓦/平方厘米的泵送功率,就可以输送超过 1.7 千瓦/平方厘米的热通量,其冷却效果超出当前所使用的结构的效果。

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  据统计,在一个传统数据中心的总能耗中,制冷系统用于冷却散热的能耗占比达 30% 至 40% 。数据中心目前采用的冷却技术主要包括冷冻水、泵送制冷剂、遏制通道、行和机架级空气、液体冷却等方式,需要消耗大量的能源和水资源。

  Elison Matioli 教授团队致力于从观念上真正实现改变电子设备的设计,在设计之初就开始通过构思电子设备与冷却结构的整体设计,目的是将设备中散热最大的区域附近的热量散发出去。

  Van Erp 表示:“ 我们希望结合电气和机械工程方面的技术,制造出一种新型设备。”

  随着电子产品的集成度越来越高,不断缩小的半导体器件在拥有更小、 更轻、更便携等优势的同时,也产生了更高的热通量,为冷却技术带来新的挑战。

  与传统的半导体相比,氮化镓(GaN)之类的宽带隙半导体可实现更小的压铸模,以及功率器件的单片集成,从而可以支持将完整的功率转换器小型化为单个芯片,因此被研究人员当作解决这一问题的候选者。

  先前大量的研究工作都聚焦在如何改善散热区和冷却剂之间的热路径上,但排热能力从根本上受限于半导体的模具和封装之间存在的热阻。此外,由于电子设备不能密集封装,不仅需要依赖更大的散热器,而且会降低设备功率密度并阻碍半导体集成。

  Elison Matioli 带领的研究团队希望解决如何冷却电子设备(尤其是晶体管)的问题。Elison Matioli 说:“ 管理这些设备产生的热量将是未来电子产品面临的最大挑战之一,最大限度地减少能源消耗对环境的影响变得越来越重要,因此我们需要在冷却技术方面实现创新,以可持续、低成本、高效益的方式,有效地处理芯片产生的大量热通量。”

  于是,研究人员开始探索使用冷却剂与设备直接接触的方式,来实现更高的冷却性能。歧管式微通道(MMC)热沉凭借热阻小、结构紧凑、冷却液流量小、流速低、沿着流动方向温度分布均匀等优点,成为备选方案。

  研究人员提出了在具有外延层的单晶硅衬底上设计的单片集成的多歧管微通道(mMMC)散热器,无需繁琐的键合步骤即可生产。此处,器件的设计和散热器的制造是在同一过程中结合在一起,冷却通道直接嵌入在芯片的有效区域下方。因此,冷却剂可以直接撞击热源,提供局部和有效的散热。

  研究结果表明,这种将冷却作为设备整体结构的一个组成部分的设计,可以将冷却性能提高几个数量级。

  “我们将微流体通道放置在非常靠近晶体管散热点的位置,并采用简单的集成制造工艺,实现在正确的位置提取热量,并防止热量散布到整个器件中 。” Matioli 说。

  为准确评估MMC结构的冷却设备的冷却性能,研究人员使用去离子水作为冷却剂,对冷却结构进行了热液分析,通过测量热阻、压降和冷却性能系数(COP)来评估冷却性能。

  分析结果显示,含有10个歧管的微通道冷却结构能够允许高达 1723 W/cm2 的热通量,最大温升可达 60 K,相当于 25μm 宽的平行微通道(SPMC)的两倍。

  Van Erp 说:“我们在实验中选择了去离子水作为冷却液,但我们已经在测试其他更有效的液体,以便可以从晶体管中吸收更多的热量。”

  为了测试半导体器件中嵌入式冷却结构的潜力,研究人员将一个全桥整流器集成到单个硅基氮化镓(GaN-on-Si)功率器件上。研究发现,单相水冷式热通量超过 1 KW/cm2时,其冷却性能系数(COP)达到了前所未有的水平(超过 10000),与平行微通道相比增加了 50 倍。

  为充分利用高性能微通道冷却结构的紧密度,研究人员开发了带有嵌入式冷却液输送通道的三层,用于引导冷却剂进入电子元器件。实际上,数据中心目前超过 30% 用于冷却的平均额外能源消耗,通过采用这种设计方法,可能会降到 0.01% 以下。

  同时,该研究进一步说明,为了最大限度地实现节能,冷却应该是整个电子设备设计链中不可或缺的一部分,而不仅仅是一个事后的想法。

  Matioli 说:“ 这种冷却技术将使我们能够设计出更加紧密的电子设备,并可以大大减少全球因系统冷却而消耗的能源。这项设计可以直接去除当前数据中心对于大型外部散热器的需求,研究还表明可以在单个芯片中设计超紧凑型的电源转换器。随着当前社会对于电子产品依赖程度的不断加深,将更加彰显出这一设计的社会价值。”

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  39既可作为重置移动设备的计时器,又可作为先进负载管理器件,用于需要高度集成解决方案的应用。若移动设备关闭,保持/ SR0低电平(通过按下开启键)2.3 s±20%能够开启PMIC。作为一个重置计时器,FTL11639有一个输入和一个固定延迟输出。断开PMIC与电池电源的连接400 ms±20%可生成7.5 s±20%的固定延迟。然后负荷开关再次打开,重新连接电池与PMIC,从而让PMIC按电源顺序进入。连接一个外部电阻到DELAY_ADJ引脚,可以自定义重置延迟。 特性 出厂已编程重置延迟:7.5 s 出厂已编程重置脉冲:400 ms 工厂自定义的导通时间:2.3 s 出厂自定义关断延迟:7.3 s 通过一个外部电阻实现可调重置延迟(任选) 低I CCT 节省与低压芯片接口的功率 关闭引脚关闭负载开关,从而在发送和保存过程中保持电池电荷。准备使用右侧输出 输入电压工作范围:1.2 V至5.5 V 过压保护:允许输入引脚

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  NCV8665 LDO稳压器 150 mA 低压差 低Iq 高PSRR

  5是一款精密5.0 V固定输出,低压差集成稳压器,输出电流能力为150 mA。仔细管理轻负载电流消耗,结合低泄漏过程,可实现30μA的典型静态接地电流。 NCV8665的引脚与NCV8675和NCV4275引脚兼容,当输出电流较低且需要非常低的静态电流时,它可以替代这些器件。输出电压精确到±2.0%,在满额定负载电流下最大压差为600 mv。它具有内部保护,可防止45 V输入瞬变,输入电源反转,输出过流故障和过高的芯片温度。无需外部组件即可启用这些功能。 特性 优势 5.0 V固定输出电压,输出电压精度为2%(3.3 V和2.5 V可根据要求提供) 能够提供最新的微处理器 最大40 A静态电流,负载为100uA 满足100μA最大模块汽车制造商点火关闭静态电流要求 保护: -42 V反向电压保护短路 在任何汽车应用中都不需要外部组件来启用保护。 AEC-Q100合格 符合自动资格认证要求 极低压降电压 应用 终端产品 发动机控制模块 车身和底盘 动力总成 汽车 电路图、引脚图和封装图...

  4是一款精密5.0 V固定输出,低压差集成稳压器,输出电流能力为150 mA。仔细管理轻负载电流消耗,结合低泄漏过程,可实现典型的22μA静态接地电流。输出电压精确到±2.0%,在满额定负载电流下最大压差为600 mV 。 内部保护,防止输入电源反转,输出过流故障和过高的芯片温度。无需外部组件即可启用这些功能。 NCV8664的引脚和功能与NCV4264和NCV4264-2兼容,当需要非常低的静态电流时,它可以替代这些部件。 特性 优势 负载100μA时最大30μA静态电流 会见新车制造商最大模块静态电流要求(最大100μA)。 保护: -42 V反向电压保护短路保护热过载保护 在任何汽车应用中都不需要外部组件来启用保护。 极低压降电压 可以在低输入电压下启动时运行。 5.0 V和3.3V固定输出电压,2%输出电压精度 AEC-Q100合格 汽车 应用 车身和底盘 动力总成 发动机控制模块 信息娱乐,无线电 电路图、引脚图和封装图...

  NCV8675 LDO稳压器 350 mA 低压差 低Iq 高PSRR

  5是一款精密5.0 V和3.3 V固定输出,低压差集成稳压器,输出电流能力为350 mA。仔细管理轻负载电流消耗,结合低泄漏过程,可实现34μA的典型静态接地电流。 内部保护免受输入瞬态,输入电源反转,输出过流故障和芯片温度过高的影响。无需外部元件即可实现这些功能。 NCV8675引脚与NCV4275引脚兼容,当需要非常低的静态电流时,它可以替代该器件。对于D 2 PAK-5封装,输出电压精确到±2.0%,对于DPAK-5封装,输出电压精确到±2.5%,在满额定负载电流下,最大压差为600 mV。 特性 优势 5.0 V和3.3 V固定输出电压,输出电压精度为2%或2.5% 能够提供最新的微处理器 负载为100uA时最大34uA静态电流 满足100uA最大模块汽车制造商点火关闭静态电流要求 保护: -42 V反向电压保护短路 在任何汽车应用中都不需要外部组件来实现保护。 AEC-Q100 Qualifie d 符合自动资格认证要求 极低压降电压 应用 终端产品 发动机控制模块 车身和底盘 动力总成 汽车 电路图、引脚图和封装图...

  4-2功能和引脚与NCV4264引脚兼容,具有更低的静态电流消耗。其输出级提供100 mA,输出电压精度为+/- 2.0%。在100 mA负载电流下,最大压差为500 mV。它具有内部保护,可防止45 V输入瞬变,输入电源反转,输出过流故障和过高的芯片温度。无需外部组件即可启用这些功能。 特性 优势 最大60μA静态电流,负载为100μA 处于待机模式时可以节省电池寿命。 保护: - 42 V反向电压保护短路保护热过载保护 无需外部元件在任何汽车应用中都需要保护。 极低压差 可以在低输入电压下启动时运行。 5.0 V和3.3 V固定输出电压,输出电压精度为2% AEC-Q100合格 应用 终端产品 车身和底盘 动力总成 发动机控制模块 汽车 电路图、引脚图和封装图...

  4是一款宽输入范围,精密固定输出,低压差集成稳压器,满载电流额定值为100 mA。输出电压精确到±2.0%,在100 mA负载电流下最大压差为500 mV。 内部保护免受45 V输入瞬变,输入电源反转,输出过流故障和过高的芯片温度。无需外部组件即可启用这些功能。 特性 优势 5.0 V和3.3 V固定输出电压和2.0%输出电压精度 严格的监管限制 非常低的辍学 可以在低输入电压下启动时运行。 保护: -42 V反向电压保护短路保护热过载保护 在任何汽车应用中都不需要外部组件来启用保护。 AEC-Q100合格 符合汽车资格标准 应用 终端产品 车身与底盘 动力总成 发动机控制模块 汽车 电路图、引脚图和封装图...

  4-2C是一款低静态电流消耗LDO稳压器。其输出级提供100 mA,输出电压精度为+/- 2.0%。在100 mA负载电流下,最大压差为500 mV。它具有内部保护,可防止45 V输入瞬变,输入电源反转,输出过流故障和过高的芯片温度。无需外部组件即可启用这些功能。 特性 优势 最大60μA静态电流,负载为100μ 在待机模式下节省电池寿命。 极低压降500 mV( max)100 mA负载电流 可以在低输入电压下启动时运行。 故障保护: -42 V反向电压保护短路/过流保护热过载保护 在任何汽车应用中都不需要外部组件来启用保护。 5.0 V和3.3 V固定输出电压,输出电压精度为2%,在整个温度范围内 AEC-Q100合格 应用 终端产品 发动机控制模块 车身和底盘 动力总成 汽车 电路图、引脚图和封装图...

  2是350 mA LDO稳压器,集成了复位功能,专用于微处理器应用。其坚固性使NCV8772可用于恶劣的汽车环境。超低静态电流(典型值低至24μA)使其适用于永久连接到需要具有或不具有负载的超低静态电流的电池的应用。当点火开关关闭时,模块保持活动模式时,此功能尤其重要。 Enable功能可用于进一步降低关断模式下的静态电流至1μA。 NCV8772包含电流限制,热关断和反向输出电流保护等保护功能。 特性 优势 固定输出电压为5 V 非常适合为微处理器供电。 2%输出电压上升至Vin = 40 V 通过负载突降维持稳压电压。 输出电流高达350 mA 我们广泛的汽车调节器产品组合允许您选择适合您应用的汽车调节器。 RESET输出 禁止微处理器在低电压下执行未请求的任务。 汽车的NCV前缀 符合汽车现场和变更控制& AEC-Q100资格要求。 低压差 在低输入电压下维持输出电压调节(特别是在汽车起动过程中)。 超低静态电流24μA典型 符合最新的汽车模块要求小于100μA。 热关机 保护设备免受高温下的永久性损坏。 短路 保护设备不会因电流过...

  0是350 mA LDO稳压器,集成了复位功能,专用于微处理器应用。其坚固性使NCV8770可用于恶劣的汽车环境。超低静态电流(典型值低至21μA)使其适用于永久连接到需要具有或不具有负载的超低静态电流的电池的应用。当点火开关关闭时,模块保持活动模式时,此功能尤其重要。 NCV8770包含电流限制,热关断和反向输出电流保护等保护功能。 特性 优势 固定输出电压为5 V 非常适合为微处理器供电。 2%输出电压上升至Vin = 40 V 通过负载突降维持稳压电压。 输出电流高达350 mA 我们广泛的汽车调节器产品组合允许您选择适合您应用的汽车调节器。 RESET输出 禁止微处理器在低电压下执行未请求的任务。 汽车的NCV前缀 符合汽车现场和变更控制& AEC-Q100资格要求。 低压差 在低输入电压下维持输出电压调节(特别是在汽车起动过程中)。 典型值为21μA的超低静态电流 符合最新的汽车模块要求小于100μA。 热关机 保护设备免受高温下的永久性损坏。 短路 保护设备不会因电流过大而在芯片上产生金属开路。 非常广泛的Cout和E...

  MC33160 线系列是一种线性稳压器和监控电路,包含许多基于微处理器的系统所需的监控功能。它专为设备和工业应用而设计,为设计人员提供了经济高效的解决方案,只需极少的外部组件。这些集成电路具有5.0 V / 100 mA稳压器,具有短路电流限制,固定输出2.6 V带隙基准,低电压复位比较器,带可编程迟滞的电源警告比较器,以及非专用比较器,非常适合微处理器线路同步。 其他功能包括用于低待机电流的芯片禁用输入和用于过温保护的内部热关断。 这些线引脚双列直插式热片封装,可提高导热性。 特性 5.0 V稳压器输出电流超过100 mA 内部短路电流限制 固定2.6 V参考 低压复位比较器 具有可编程迟滞的电源警告比较器 未提交的比较器 低待机当前 内部热关断保护 加热标签电源包 无铅封装可用 电路图、引脚图和封装图...

  80是一款用于移动电源应用的低静态电流PMIC。 PMIC包含一个降压,一个升压和四个低噪声LDO。 特性 晶圆级芯片级封装(WLCSP) 可编程输出电压 软启动(SS)浪涌电流限制 可编程启动/降压排序 中断报告的故障保护 低电流待机和关机模式 降压转换器:1.2A,VIN范围: 2.5V至5.5V,VOUT范围:0.6V至3.3V 升压转换器:1.0A,VIN范围:2.5V至5.5V,VOUT范围:3.0V至5.7V 四个LDO:300mA,VIN范围:1.9V至5.5V,VOUT范围:0.8V至3.3V 应用 终端产品 电池和USB供电设备 智能手机 平板电脑 小型相机模块 电路图、引脚图和封装图...

  1 / 73产品是280 kHz / 560 kHz升压调节器,具有高效率,1.5 A集成开关。该器件可在2.7 V至30 V的宽输入电压范围内工作。该设计的灵活性使芯片可在大多数电源配置中运行,包括升压,反激,正激,反相和SEPIC。该IC采用电流模式架构,可实现出色的负载和线路调节,以及限制电流的实用方法。将高频操作与高度集成的稳压器电路相结合,可实现极其紧凑的电源解决方案。电路设计包括用于正电压调节的频率同步,关断和反馈控制等功能。这些器件与LT1372 / 1373引脚兼容,是CS5171和CS5173的汽车版本。 特性 内置过流保护 宽输入范围:2.7V至30V 高频允许小组件 最小外部组件 频率折返减少过流条件下的元件应力 带滞后的热关机 简易外部同步 集成电源开关:1.5A Guarnateed 引脚对引脚与LT1372 / 1373兼容 这些是无铅设备 用于汽车和其他应用需要站点和控制更改的ons CS5171和CS5173的汽车版本 电路图、引脚图和封装图...

  是一款线 mA输出电流。 NCP161器件旨在满足RF和模拟电路的要求,可提供低噪声,高PSRR,低静态电流和非常好的负载/线路瞬态。该器件设计用于1μF输入和1μF输出陶瓷电容。它有两种厚度的超小0.35P,0.65 mm x 0.65 mm芯片级封装(CSP),XDFN-4 0.65P,1 mm x 1 mm和TSOP5封装。 类似产品:

  是一款1 / 2.5英寸CMOS数字图像传感器,有源像素阵列为2592(H)x 1944(V)。它通过滚动快门读数捕获线性或高动态范围模式的图像,并包括复杂的相机功能,如分档,窗口以及视频和单帧模式。它专为低亮度和高动态范围性能而设计,具有线读出功能,可在ISP芯片中支持片外HDR。 AR0521可以产生非常清晰,锐利的数字图像,并且能够捕获连续视频和单帧,使其成为安全应用的最佳选择。 特性 5 Mp为60 fps,具有出色的视频性能 小型光学格式(1 / 2.5英寸) 1440p 16:9模式视频 卓越的低光性能 2.2 m背面照明像素技术 支持线读出以启用ISP芯片中的HDR处理 支持外部机械快门 片上锁相环(PLL)振荡器 集成颜色和镜头阴影校正 精确帧率控制的从属模式 数据接口:♦HiSPi(SLVS) - 4个车道♦MIPI CSI-2 - 4车道 自动黑电平校准 高速可配置上下文切换 温度传感器 快速模式兼容2线接口 应用 终端产品 视频监控 高动态范围成像 安全摄像头 行动相机 车载DVR 电路图、引脚图和封装...

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