Teplo z hustej elektroniky je dnes drahý zdroj. Na to, aby mal systém správnu teplotu a optimálny výpočtový výkon, americký chladiaci systém dátových centier spotrebuje toľko energie a vody ako všetci obyvatelia Philadelphie. Teraz integráciou kanálov kvapalinového chladenia priamo do polovodičových čipov vedci dúfajú, že túto stratu znížia aspoň vo výkonovej elektronike, čím budú menšie, lacnejšie a energeticky menej náročné.
Elektronické zariadenia a systémy tepelného manažmentu boli tradične navrhnuté a vyrábané oddelene, hovorí Elison Matioli, profesor elektrotechniky na Ecole Polytechnique vo švajčiarskom Lausanne. To predstavuje zásadnú prekážku zlepšenej účinnosti chladenia, pretože teplo môže byť odstránené, keď prejde relatívne dlhými vzdialenosťami cez viacero materiálov. V dnešných' s procesoroch napríklad sifóny horúceho materiálu prenášajú teplo z čipu na objemné, vzduchom chladené medené rebrá.
Pre energeticky efektívnejšie riešenie Matioli a jeho kolegovia vyvinuli nízkonákladový proces, ktorý vkladá 3D sieť mikrofluidických chladiacich kanálov priamo do polovodičového čipu. Kvapalina odvádza teplo lepšie ako vzduch a ide o to, udržať mikrometer chladiacej kvapaliny mimo horúceho miesta na čipe.
Ale na rozdiel od predtým uvádzaného mikrofluidického chladenia povedal:&„Elektroniku a chladiaci systém navrhujeme od začiatku." Mikrokanál je teda umiestnený tesne pod aktívnou oblasťou každého tranzistorového zariadenia, kde má najvyššiu teplotu, čo zvyšuje chladiaci výkon faktorom 50. V nedávnom prírodnom probléme uviedli svoj koncept spoločného návrhu.
Vedci navrhli technológiu chladenia mikrokanálom už v roku 1981 a startupy ako Cooligy sa myšlienkou procesorov zaoberajú už roky. Polovodičový priemysel však prechádza od rovinných zariadení k trojrozmerným zariadeniam a smerom k budúcim čipom s viacvrstvovými štruktúrami, vďaka čomu sú chladiace kanály nepraktické.&"Toto zabudované riešenie chladenia nie je vhodné pre moderné procesory a čipy, ako sú cpus, &"; povedal TiweiWei, ktorý skúma riešenia elektronického chladenia v Interuniversity Microelectronics Center a KU Luuven v Belgicku.&"; Namiesto toho má táto chladiaca technológia najväčší zmysel pre výkonovú elektroniku, &"; povedal.
Výkonové elektronické obvody riadia a premieňajú elektrickú energiu a sú široko používané v počítačoch, dátových centrách, solárnych paneloch a elektrických vozidlách. Použili veľkoplošné diskrétne zariadenia vyrobené zo širokopásmových polovodičov, ako je nitrid gália. Hustota výkonu týchto zariadení v posledných rokoch raketovo rástla, čo znamená, že musia byť&zapojené do obrovského radiátora,&“; Povedal Matoli.
V poslednej dobe sa moduly výkonovej elektroniky preorientovali na chladenie kvapalinou, a to buď pomocou chladiacich doskových alebo mikrokanálových chladiacich systémov. Doteraz však boli všetky chladiace systémy s mikrokanálom vyrábané oddelene a potom kombinované s čipom. Spojovacia vrstva zvyšuje tepelnú odolnosť, kanály a obvodové zariadenia nie sú tesne zarovnané.
& quot; Posunuli sme to na ďalšiu úroveň," Hovorí Matoli, výrobou zariadení a chladiacich kanálov na rovnakom čipe. Vyleptali trhliny široké mikróny vo vrstve nitridu gália potiahnutej na silikónovom substráte. Dĺžka štrbiny 30μm, hlboká 115μm. Špeciálnymi technikami plynového leptania rozširujú medzery v silikónovom substráte a vytvárajú kanály, ktorými prechádza kvapalné chladivo.
Vedci potom pomocou medi utesnili drobné otvory vo vrstvách nitridu gália a postavili na nich zariadenia.&"Máme iba mikrokanály v malých oblastiach doštičky, ktoré sú v kontakte s každým tranzistorom, &"; povedal. Vďaka tomu je technológia oveľa efektívnejšia, pretože z blízkeho okolia môžeme získať veľa tepla, ale čerpací výkon, ktorý používame, je veľmi malý."
Vedci ako ukážku postavili obvod usmerňovača AC-DC pozostávajúci zo štyroch diód Schottky, z ktorých každá je schopná zvládnuť napätie 1,2 kV. Takéto obvody spravidla vyžadujú radiátor veľkosti päste. Čip obvodu so systémom chladenia kvapalinou je však namontovaný na doske s plošnými spojmi veľkosti USB flash disku. Doska plošných spojov sa skladá z troch vrstiev, do ktorých sú vytesané kanály na dodávanie chladiacej kvapaliny do čipu.
Displej ukazuje, že horúce miesta s hustotou výkonu viac ako 1700 wattov na centimeter štvorcový je možné chladiť pomocou iba 0,57 wattu na centimeter štvorcový čerpacieho výkonu. Toto je 50-násobné zlepšenie výkonu v porovnaní s predtým uvádzaným chladením mikrofluidným kanálom.
& "; Spoľahlivosť filmov z nitridu gália a medených tesnení by sa mala časom skúmať. Toto inovatívne riešenie chladenia je však veľkým krokom k lacnému, ultrakompaktnému a energeticky účinnému chladiacemu systému výkonovej elektroniky.