我們的手機電腦等電子產品在使用時會產生許多熱量，如果熱量沒有能及時散發，必定會影響設備的性能與使用。有研究人員發現，將微流體系統集成到微芯片內部，展現出了卓越的冷卻性能。

提升電子系統性能的一個高效又節能的策略是將微流體冷卻通道集成到芯片中，以防止芯片過熱。然而，此前設計并構建的最先進的微流體冷卻系統卻是獨立于電子芯片之外的，妨礙了將通道集成到電路中為熱區提供直接的冷卻。

由于這種集成會顯著增加芯片制造的復雜度，成本也會相應提高。van Erp等人在《自然》上發表論文，報道了一種集成微流體冷卻系統的電子設備，讓微流體冷卻系統與電子元器件緊密結合，并且采用一種單次的低成本工藝流程進行構建。

電力電子技術使用固態電子器件將電能轉換成不同的形式，可見于各種各樣的日常應用[2]，從計算機到電池充電器，從空調到混合動力汽車，甚至衛星。對更高效率、更小功率的電子器件的需求越來越大，意味著這些器件每單位體積轉換的功率量已經大幅增加。這反過來又增加了器件的熱流密度，即單位面積產生的熱量。以這種方式產生的熱量已經成為了一個大問題：美國的數據中心用于冷卻計算機的能源和水與費城全城的住宅用量相同。

微流體冷卻系統在降低電子器件溫度方面蘊含著巨大潛力，因為熱量可以高效地傳遞到這些系統。總體上看，目前已經開發出三種微流體冷卻方案。第一種用于冷卻被保護蓋蓋住的芯片。

熱量從芯片經蓋子傳遞到帶有微流體通道的冷板，液體冷卻劑會流過通道。這里用兩層熱界面材料(TIM)幫助將熱量從蓋子傳遞到冷板：一層在蓋子與板之間，另一層在蓋子與裸片(用于制作芯片的半導體硅片)之間。

在第二種設計方案中，芯片沒有蓋子，因此，熱量從芯片背面通過一層TIM層直接傳遞到微流體冷卻板。這兩種方法的主要缺點是需要TIM層——雖然TIM的設計能有效傳熱，但在TIM層與裸片、蓋子和冷板之間的界面處仍會產生熱流阻力。

有效解決這個問題的方法是使冷卻劑與芯片直接接觸——這是第三種常用設計。例如，裸片直接噴射冷卻是一種很有價值的技術，液體冷卻劑可以從微通道中的噴嘴直接噴射到芯片背面[5–7]。由于沒有TIM層，這種方法的冷卻效率很高，并且不需要改變芯片制作過程。然而，微流體器件的制作一般比較昂貴。雖然已經開發出了低成本的基于聚合物的技術，但其不適用于電子設備目前的生產和組裝工藝。

另一種是冷卻劑直接與芯片背面直接接觸的方法是嵌入式液體冷卻，讓冷的液體通過直接蝕刻在半導體器件中的直的平行微管道(SPMC)泵送。這能有效將芯片背面變成了散熱器，并展現出卓越的冷卻性能。但是，與其他方法相比，裸片需要額外的加工過程。SPMC的主要缺點是，當液體流過時，管道中的壓力會大大增加，這意味著需要一個大功率的泵。這增加了能耗和成本，并對半導體器件產生具有潛在破壞性的機械應力。另一個大的缺點是芯片上會產生高溫梯度，這會引起熱機械應力并導致薄裸片的局部翹曲。

與SPMC相比，名為嵌入式分流微通道(EMMC)的三維冷卻系統在降低泵送能量需求和溫度梯度方面具有巨大潛力。在這種系統中，一個三維層級分流管(具有數個分配冷卻劑端口的通道部件)為嵌入式微通道提供多個入口和出口，從而將冷卻劑分流到多個平行區域。然而，將EMMC集成到電力電子器件的芯片中增加了器件制造的復雜度和成本。因此，先前報道的EMMC是作為單獨的模塊被設計和制作出來的，后續再將其結合到熱源或商用芯片上以評估其冷卻性能。

Van Erp等取得了突破，他們開發了一種一體化集成式分流微管道(mMMC)——在該系統的單個裸片中，EMMC與芯片集成并共同制造。因此，掩埋的通道嵌入在芯片有效區域的正下方，從而使冷卻劑能夠直接從熱源底下通過。

微芯片一體化冷卻系統。Van Erp等人為電子設備芯片開發了一種通用設計方案，其中，作為冷卻系統的微通道系統是與芯片共同制造的。冷水流過分流管，將水輸送到硅基微通道中。水直接從氮化鎵層下面流過，氮化鎵是一種半導體材料，氮化鎵層包含了電子器件組件(未顯示)。因此，冷水有效地散發器件產生的熱量，保證其具有良好的性能。頂部的金屬觸點將通道密封。

mMMC的制作過程包括三個步驟。首先，將窄縫刻蝕到覆蓋了一層半導體氮化鎵(GaN)的硅襯底中;窄縫的深度即是要制作的通道的深度。然后使用一種被稱為各向同性氣體刻蝕的工藝，將硅中的窄縫加寬到通道的最終寬度;這種蝕刻工藝還使短的通道連接起來產生更長的通道系統。最后，通道頂部的GaN層的開口被銅密封。隨后就可以在GaN層中制造電子器件。與先前報道的制作分流微通道的方法不同，van Erp及其同事開發的流程不需要分流通道和器件之間鍵合或連接。

作者還應用他們的設計和構建方法制作了一個電力電子模塊，將交流電(a.c.)轉換為直流電(d.c.)。使用該設備進行實驗表明，僅使用0.57 W cm–2的泵功率就可以冷卻超過1.7千瓦/平方厘米的熱流密度。此外，由于消除了自體發熱引起的性能減退，液體冷卻設備展現出明顯高于同類未冷卻設備的轉換效率。

Van Erp和同事的結果令人印象深刻，但是與任何的技術進步一樣，要做的還很多。例如，需要進一步研究薄的GaN層的結構完整性隨時間的變化，以了解它能夠穩定多長時間。此外，作者使用最高工作溫度為120°C的粘合劑將設備中的微通道連接到支撐電路板上的流體運輸通道。這意味著組裝后的系統將無法承受更高的溫度，例如回流焊接(一種電子設備制造常用的流程)一般用到的溫度(250°C)。因此，與制造中使用溫度相匹配的流體連接方案仍有待開發。

另一個未來的研究方向是在交流直流轉換器的最新設計中采用mMMC概念。van Erp及其同事發表的設計是一個簡單的測試案例。此外，在他們的實驗中，作者僅使用液態水進行了單相冷卻(也就是說，水并沒有因為過熱變成氣體)。

在兩相流冷卻系統中表征器件的冷卻和電力性能將會很有用。兩相流冷卻系統中，液體蒸發帶走熱量。最后，在實際應用當中，水可能不是理想的冷卻劑，因為水有結冰或者直接與芯片接觸的風險。

未來的工作需要研究使用不同的液體冷卻劑。盡管仍有一些需要解決的挑戰，van Erp及其同事的工作是向低成本、超緊湊、高能效電力電子冷卻系統邁出的一大步。

他們的方法超過了目前最先進的冷卻技術，并且有望使產生高熱流密度的器件成為我們日常生活的一部分。