Ciepło z gęstej elektroniki jest dziś drogim zasobem. Aby utrzymać system w odpowiedniej temperaturze dla optymalnej wydajności obliczeniowej, amerykański system chłodzenia centrum danych zużywa tyle samo energii i wody, co wszyscy mieszkańcy Filadelfii. Teraz, integrując kanały chłodzenia cieczą bezpośrednio w układach półprzewodnikowych, naukowcy mają nadzieję zmniejszyć tę stratę przynajmniej w energoelektronice, czyniąc je mniejszymi, tańszymi i mniej energochłonnymi.
Tradycyjnie urządzenia elektroniczne i systemy zarządzania ciepłem były projektowane i produkowane oddzielnie, mówi Elison Matioli, profesor elektrotechniki w ecole Polytechnique w Lozannie w Szwajcarii. Stanowi to fundamentalną barierę dla lepszej wydajności chłodzenia, ponieważ ciepło musi przebyć stosunkowo duże odległości przez wiele materiałów, zanim będzie mogło zostać usunięte. W dzisiejszych procesorach', na przykład, syfony gorącego materiału przenoszą ciepło z chipa na nieporęczne, chłodzone powietrzem żebra miedziane.
Aby uzyskać bardziej energooszczędne rozwiązanie, Matioli i jego koledzy opracowali tani proces, w którym trójwymiarowa sieć mikroprzepływowych kanałów chłodzących jest umieszczana bezpośrednio w chipie półprzewodnikowym. Ciecz usuwa ciepło lepiej niż powietrze, a pomysł polega na utrzymywaniu mikrometru chłodziwa z dala od gorących punktów na chipie.
Ale w przeciwieństwie do wcześniej opisywanego chłodzenia mikroprzepływowego, powiedział &: „Projektujemy elektronikę i system chłodzenia od początku.&cyt; Tak więc mikrokanał znajduje się tuż pod aktywnym obszarem każdego urządzenia tranzystorowego, gdzie ma najwyższą temperaturę, co zwiększa wydajność chłodzenia 50-krotnie. W ostatnim wydaniu magazynu Nature opisali swoją wspólną koncepcję projektową.
Naukowcy zaproponowali technologię chłodzenia mikrokanałowego już w 1981 roku, a start-upy, takie jak Cooligy, od lat realizują ideę procesorów. Jednak przemysł półprzewodników przechodzi od urządzeń płaskich do urządzeń trójwymiarowych i w kierunku przyszłych układów scalonych o wielowarstwowej strukturze, przez co kanały chłodzące stają się niepraktyczne."To wbudowane rozwiązanie chłodzenia nie jest odpowiednie dla nowoczesnych procesorów i układów, takich jak cpus," powiedział TiweiWei, który bada elektroniczne rozwiązania chłodzące w Międzyuczelnianym Centrum Mikroelektroniki i KU Luuven w Belgii."Zamiast tego ta technologia chłodzenia jest najbardziej sensowna dla energoelektroniki," powiedział.
Obwody energoelektroniczne zarządzają i przetwarzają energię elektryczną i są szeroko stosowane w komputerach, centrach danych, panelach słonecznych i pojazdach elektrycznych. Wykorzystali wielkopowierzchniowe dyskretne urządzenia wykonane z półprzewodników o szerokiej przerwie wzbronionej, takich jak azotek galu. Gęstość mocy tych urządzeń gwałtownie wzrosła w ciągu ostatnich kilku lat, co oznacza, że muszą być one&„podłączone do gigantycznego grzejnika &”; powiedział Matoli.
Ostatnio moduły energoelektroniczne przeszły na chłodzenie cieczą, za pomocą zimnych płyt lub systemów chłodzenia mikrokanałowego. Jednak do tej pory wszystkie mikrokanałowe systemy chłodzenia były produkowane oddzielnie, a następnie łączone z chipem. Warstwa spajająca zwiększa odporność na ciepło, kanały i wyposażenie obwodów nie są ciasno wyrównane.
& quot;Przenieśliśmy to na wyższy poziom," Mówi Matoli, robiąc urządzenia i kanały chłodzące w tym samym chipie. Wytrawili mikronowe pęknięcia w warstwie azotku galu pokrytej krzemowym podłożem. Długość szczeliny 30μm, głęboka 115μm. Wykorzystując specjalne techniki trawienia gazowego, poszerzają szczeliny w podłożu krzemowym, tworząc kanały, przez które przepływa płynny czynnik chłodzący.
Następnie naukowcy wykorzystali miedź do uszczelnienia maleńkich otworów w warstwach azotku galu i zbudowania na nich urządzeń."Mamy mikrokanały tylko w maleńkich obszarach płytki, które stykają się z każdym tranzystorem," powiedział. To sprawia, że technologia jest znacznie bardziej efektywna, ponieważ możemy pobierać dużo ciepła z otoczenia, ale moc pompowania, z której korzystamy, jest bardzo mała.&cyt;
W ramach demonstracji naukowcy zbudowali obwód prostownika AC-DC składający się z czterech diod Schottky'ego, z których każda jest w stanie obsłużyć napięcie 1,2 kV. Takie obwody zazwyczaj wymagają grzejnika wielkości pięści. Ale układ scalony z układem chłodzenia cieczą jest zamontowany na płytce drukowanej wielkości pendrive'a. Płytka drukowana składa się z trzech warstw z wyrzeźbionymi w niej kanałami, które dostarczają chłodziwo do chipa.
Wyświetlacz pokazuje, że gorące punkty o gęstości mocy przekraczającej 1700 watów na centymetr kwadratowy można schłodzić przy użyciu zaledwie 0,57 wata na centymetr kwadratowy mocy pompowania. Jest to 50-krotna poprawa wydajności w porównaniu z wcześniej opisywanym mikroprzepływowym chłodzeniem kanałowym.
& quot;Niezawodność warstw azotku galu i uszczelek miedzianych powinna być badana w czasie. Jednak to innowacyjne rozwiązanie chłodzenia to duży krok w kierunku taniego, ultrakompaktowego i energooszczędnego systemu chłodzenia elektroniki mocy.