În zilele noastre, căldura generată de echipamentele electronice dense este un consum costisitor de resurse. Pentru a menține sistemul la temperatura potrivită pentru o performanță optimă de calcul, sistemul de răcire din Statele Unite consumă la fel de multă energie și apă ca toți locuitorii din Philadelphia. Acum, prin integrarea canalului de răcire cu lichid direct în cipul semiconductor, cercetătorii speră să reducă cel puțin această pierdere a echipamentelor electronice de putere, făcându-l mai mic, mai ieftin și un consum mai mic de energie.
În mod tradițional, dispozitivele electronice și sistemele de management termic sunt proiectate și fabricate separat, spune Elison Matioli, profesor de inginerie electrică la Ecole Institute of Technology din Lausanne, Elveția. Acest lucru aduce un obstacol fundamental în calea îmbunătățirii eficienței de răcire, deoarece căldura trebuie să parcurgă o distanță relativ lungă în mai multe materiale pentru a fi îndepărtată. De exemplu, în procesoarele de astăzi, sifoanele din materiale termice transferă căldura de la cip la radiatorul voluminos de cupru răcit cu aer.
Pentru a obține o soluție mai eficientă din punct de vedere energetic, Matioli și colegii săi au dezvoltat un proces low-cost care pune rețeaua 3D de canale de răcire microfluidice direct în cipul semiconductor. Lichidul poate elimina căldura mai bine decât aerul. Ideea este de a păstra micrometrul lichidului de răcire departe de punctele fierbinți ale cipului.
Dar, spre deosebire de tehnologia de răcire microfluidică raportată anterior, el a spus: "Proiectăm dispozitive electronice și sisteme de răcire de la început." Prin urmare, microcanalul este situat sub zona activă a fiecărui dispozitiv tranzistor, unde temperatura sa Cea mai mare, ceea ce crește performanța de răcire de 50 de ori. Ei au raportat conceptul lor comun de design în recenta revistă "Natura".
Cercetătorii au propus tehnologia de răcire a micro-canalelor încă din 1981, iar companiile nou-înființate, ar fi Cooligy, au urmărit, de asemenea, conceptul de procesoare. Cu toate acestea, industria semiconductorilor trece de la dispozitive plane la dispozitive tridimensionale și se îndreaptă spre viitoarele cipuri cu structuri multistrat, ceea ce face ca canalele de răcire să nu fie practic. Acest tip de soluție de răcire încorporată nu este potrivită pentru procesoare și cipuri moderne, ar fi procesoarele, a declarat Tiwei Wei, care studiază soluțiile electronice de răcire la Interuniversity Microelectronics Center și KU Luuven din Belgia. "Dimpotrivă, acest tip de tehnologie de răcire are cel mai mult sens pentru electronica de putere", a spus el.
Circuitele electronice de putere gestionează și convertesc energia electrică, care sunt utilizate pe scară largă în domenii precum calculatoare, centre de date, panouri solare și vehicule electrice. Ei au folosit dispozitive discrete cu arie mare, realizate din semiconductori cu bandă largă, ar fi nitrura de galiu. Densitatea de putere a acestor dispozitive a crescut brusc în ultimii ani, ceea ce înseamnă că acestea trebuie "conectate cu un radiator imens", a spus Matoli.
Recent, modulele electronice de alimentare au apelat la răcirea cu lichid, fie prin plăci reci, fie prin sisteme de răcire cu micro-canale. Cu toate acestea, până în prezent, toate sistemele de răcire cu micro-canale au fost fabricate separat și apoi combinate cu cipuri. Stratul de lipire crește rezistența la căldură, iar canalul și dispozitivul de circuit nu sunt strâns aliniate.
"Am dus-o la nivelul următor", a spus Matoli, prin fabricarea de echipamente și canale de răcire în același cip. Ei au gravat fisuri microni-wide în stratul de nitrură de galiu acoperit pe substratul de siliciu. Fanta are o lungime de 30 μm și o adâncime de 115 μm. Folosind tehnologia specială de gravare a gazului, acestea lărgesc decalajul de pe substratul de siliciu pentru a forma un canal prin care trece lichidul de răcire lichid.
Apoi, cercetătorii au folosit cuprul pentru a sigila micile deschideri din stratul de nitrură de galiu și dispozitivele fabricate pe acesta. El a spus: "Avem doar microcanale în zone mici ale plăcuței, iar aceste microcanale sunt în contact cu fiecare tranzistor. Acest lucru face ca această tehnologie să fie mai eficientă, deoarece putem extrage multă căldură din apropiere, dar pomparea pe care o folosim Puterea este foarte mică."
Ca o demonstrație, cercetătorii au realizat un circuit de redresoare AC-DC compus din patru diode Schottky. Fiecare diodă se poate ocupa de 1,2kV. Un astfel de circuit necesită, de obicei, un radiator de dimensiuni pumn. Dar cipul de circuit integrat cu sistemul de răcire cu lichid este montat pe o placă de circuit imprimată de dimensiunea unei unități flash USB. Placa de circuit este formată din trei straturi cu canale gravate pe ea pentru a livra lichidul de răcire la cip.
Afișajul arată că punctele fierbinți cu o densitate de putere mai mare de 1700 W/cm² pot fi răcite cu o putere de pompare de numai 0,57 W/cm². Comparativ cu răcirea canalului microfluidic raportat anterior, performanța este îmbunătățită de 50 de ori.
Wei a spus: "Fiabilitatea filmului de nitrură de galiu și a stratului de etanșare a cuprului ar trebui studiată în timp. Dar această soluție inovatoare de răcire este un pas către un "sistem electronic de răcire cu costuri reduse, ultra-compact și cu economie de energie". Un mare pas înainte."