V súčasnosti je teplo generované hustým elektronickým zariadením drahou spotrebou zdrojov. Aby sa systém udržal na správnej teplote pre optimálny výpočtový výkon, chladiaci systém v Spojených štátoch spotrebuje toľko energie a vody ako všetci obyvatelia Philadelphie. Teraz, integráciou tekutého chladiaceho kanála priamo do polovodičového čipu, výskumníci dúfajú, že aspoň znížia túto stratu v elektrických zariadeniach, čím sa znížia, nižšie náklady a nižšia spotreba energie.
Tradične sú elektronické zariadenia a systémy tepelného manažmentu navrhnuté a vyrábané samostatne, hovorí Elison Matioli, profesor elektrotechniky na Technologickom inštitúte Ecole v Lausanne vo Švajčiarsku. To predstavuje základnú prekážku pre zlepšenie účinnosti chladenia, pretože teplo musí cestovať relatívne dlhú vzdialenosť vo viacerých materiáloch, ktoré sa majú odstrániť. Napríklad v dnešných procesoroch sifóny tepelného materiálu prenášajú teplo z čipu do objemného vzduchom chladeného medeného chladiča.
S cieľom získať energeticky efektívnejšie riešenie vyvinul Matioli a jeho kolegovia nízkonákladový proces, ktorý vkladá 3D sieť mikrofluidných chladiacich kanálov priamo do polovodičového čipu. Kvapalina dokáže odstrániť teplo lepšie ako vzduch. Cieľom je udržať mikrometer chladiacej kvapaliny ďaleko od horúcich miest čipu.
Ale na rozdiel od predtým uvádzanej technológie mikrofluidného chladenia povedal: "Od začiatku navrhujeme elektronické zariadenia a chladiace systémy." Preto sa mikrokanál nachádza pod aktívnou plochou každého tranzistorového zariadenia, kde je jeho teplota Najvyššia, čo zvyšuje chladiaci výkon 50-krát. O svojom spoločnom dizajne informovali v nedávnom časopise Nature.
Výskumníci navrhli technológiu mikrokanálového chladenia už v roku 1981 a začínajúce spoločnosti ako Cooligy tiež sledujú koncept procesorov. Polovodičový priemysel sa však presúva z planárnych zariadení na trojrozmerné zariadenia a smeruje k budúcim čipom s viacvrstvovými štruktúrami, čo spôsobuje, že chladiace kanály sú nepraktické. "Tento druh vstavaného chladiaceho riešenia nie je vhodný pre moderné procesory a čipy, ako sú procesory," povedal Tiwei Wei, ktorý študuje elektronické chladiace riešenia v Interuniversity Microelectronics Center a KU Luuven v Belgicku. "Práve naopak, tento druh chladiacej technológie dáva najväčší zmysel pre výkonovú elektroniku," povedal.
Elektrické obvody spravujú a konvertujú elektrickú energiu, ktoré sú široko používané v oblastiach, ako sú počítače, dátové centrá, solárne panely a elektrické vozidlá. Použili veľkorozkrové diskrétne zariadenia vyrobené zo širokopásmových polovodičov, ako je nitrid gália. Hustota výkonu týchto zariadení sa v posledných rokoch prudko zvýšila, čo znamená, že musia byť "spojené s obrovským chladičom", povedal Matoli.
V poslednej dobe sa elektrické elektronické moduly zmenili na chladenie kvapalinou, či už prostredníctvom studených dosiek alebo mikrokanálových chladiacich systémov. K dnešnému dňu sa však všetky mikrokanálové chladiace systémy vyrábali samostatne a potom sa skombinovali s čipmi. Lepiaca vrstva zvyšuje tepelnú odolnosť a kanál a zariadenie obvodu nie sú úzko zarovnané.
"Posunuli sme to na ďalšiu úroveň," povedal Matoli výrobou zariadení a chladiacich kanálov v tom istom čipe. Vyleptali praskliny v celej mikrónovej vrstve nitridu potiahnutej silikónovým substrátom. Štrbina je dlhá 30 μm a hlboká 115 μm. Pomocou špeciálnej technológie leptanie plynu rozširujú medzeru na kremíkovom substráte a vytvárajú kanál, cez ktorý prechádza kvapalná chladiaca kvapalina.
Potom výskumníci použili meď na utesnenie malých otvorov vo vrstve nitridu gália a na nej vymyslené zariadenia. "Máme mikrokanály len v malých oblastiach doštičky a tieto mikrokanály sú v kontakte s každým tranzistorom. Vďaka tomu je táto technológia efektívnejšia, pretože môžeme extrahovať veľa tepla z okolia, ale čerpanie, ktoré používame, je veľmi malé."
Ako demonštráciu výskumníci vytvorili usmerňovačový obvod AC-DC zložený zo štyroch Schottky diód. Každá dióda zvládne 1,2 kV. Takýto obvod zvyčajne vyžaduje chladič veľkosti päste. Ale čip obvodu integrovaný so systémom chladenia kvapalinou je namontovaný na doske plošných spojov veľkosti USB kľúča. Doska obvodov sa skladá z troch vrstiev s vyrytými kanálmi, ktoré dodávajú chladiacu kvapalinu do čipu.
Na displeji je vidieť, že horúce miesta s hustotou výkonu viac ako 1700 W / cm² môžu byť chladené len čerpacím výkonom 0,57 W / cm². V porovnaní s predtým hláseným mikrofluidným chladením kanála sa výkon zlepšil 50-krát.
Wei povedal: "Spoľahlivosť nitridového filmu gália a vrstvy utesňovania medi by sa mala časom študovať. Toto inovatívne riešenie chladenia je však krokom k "nízkonákladovemu, ultrakompaktnejšiemu a energeticky úspornejšiemu elektronickému chladiacemu systému". Veľký krok vpred."