Днес топлината от плътна електроника е скъп ресурс. За да поддържа системата на правилната температура за оптимална изчислителна производителност, охладителната система на американския център за данни консумира толкова енергия и вода, колкото всички жители на Филаделфия. Сега, чрез интегриране на канали за течно охлаждане директно в полупроводникови чипове, изследователите се надяват да намалят тази загуба поне в силовата електроника, правейки ги по-малки, по-евтини и с по-малко енергоемкост.
Традиционно електронните устройства и системите за управление на топлината са проектирани и произведени отделно, казва Елисън Матиоли, професор по електротехника в ecole Polytechnique в Лозана, Швейцария. Това представлява основна бариера пред подобрената ефективност на охлаждане, тъй като топлината трябва да изминава относително големи разстояния през множество материали, преди да може да бъде отстранена. В днешните процесори на', например, сифони от горещ материал пренасят топлина от чипа към обемисти, въздушно охладени медни перки.
За по-енергийно ефективно решение Matioli и колегите му разработиха евтин процес, който поставя 3D мрежа от микрофлуидни охлаждащи канали директно в полупроводниковия чип. Течността премахва топлината по -добре от въздуха и идеята е да се държи микрометърът на охлаждащата течност далеч от горещото място на чипа.
Но за разлика от докладваното по -рано микрофлуидно охлаждане, той каза:&„Ние проектираме електрониката и охладителната система от самото начало." По този начин микроканалът се намира точно под активната област на всяко транзисторно устройство, където е при най -високата си температура, което увеличава производителността на охлаждане с коефициент 50. Те съобщават за съвместната си концепция за дизайн в скорошен брой на Nature.
Изследователите предлагат технология за охлаждане на микроканали още през 1981 г., а стартиращи фирми като Cooligy преследват идеята за процесори от години. Но полупроводниковата индустрия преминава от плоски устройства към триизмерни устройства и към бъдещи чипове с многослойни структури, което прави охлаждащите канали непрактични." Това вградено охлаждащо решение не е подходящо за съвременни процесори и чипове като cpus," каза TiweiWei, който изследва решения за електронно охлаждане в Междууниверситетския център за микроелектроника и KU Luuven в Белгия." Вместо това, тази охлаждаща технология има най -голям смисъл за силовата електроника," той каза.
Силовите електронни схеми управляват и преобразуват електрическа енергия и се използват широко в компютри, центрове за данни, слънчеви панели и електрически превозни средства. Те използваха дискретни устройства с голяма площ, направени от широколентови полупроводници, като галиев нитрид. Плътността на мощността на тези устройства е скочила през последните няколко години, което означава, че те трябва да бъдат" свързани към гигантски радиатор," - каза Матоли.
Съвсем наскоро модулите за силова електроника са преминали към течно охлаждане, било чрез студени плочи или микроканални системи за охлаждане. Но досега всички микроканални охладителни системи се произвеждаха отделно и след това се комбинираха с чипа. Свързващият слой добавя топлинна устойчивост, каналите и оборудването на веригата не са плътно подравнени.
& quot; Преминахме на следващото ниво," Казва Матоли, като прави устройства и охлаждащи канали в един и същ чип. Те гравират пукнатини с широчина на микрони в слой от галиев нитрид, покрит върху силиконова основа. Дължина на прореза 30μm, дълбока 115μm. Използвайки специални техники за ецване с газ, те разширяват празнините в силициевата подложка, за да образуват канали, през които преминава течната охлаждаща течност.
След това изследователите са използвали мед за запечатване на малки отвори в слоевете на галиев нитрид и изграждане на устройства върху тях." Имаме само микроканали в малки области на пластината, които са в контакт с всеки транзистор," той каза. Това прави технологията много по -ефективна, защото можем да извлечем много топлина от близкото местоположение, но изпомпващата мощност, която използваме, е много малка."
Като демонстрация, изследователите изградиха AC-DC токоизправителна верига, състояща се от четири диода Шотки, всеки от които може да издържи 1.2kV напрежение. Такива схеми обикновено изискват радиатор с размер на юмрук. Но чипът на веригата със системата за течно охлаждане е монтиран на печатна платка с размер на USB флаш устройство. Платката се състои от три слоя с издълбани в нея канали за доставяне на охлаждащата течност към чипа.
Дисплеят показва, че горещите точки с плътност на мощността над 1700 вата на квадратен сантиметър могат да се охлаждат, като се използва само 0,57 вата на квадратен сантиметър изпомпваща мощност. Това е 50-кратно подобрение в производителността в сравнение с докладваното по-рано микрофлуидно охлаждане на канала.
& "Надеждността на филмите от галиев нитрид и медни уплътнения трябва да се изследва с течение на времето. Но това иновативно охлаждащо решение е голяма стъпка към евтина, ултра компактна и енергийно ефективна охладителна система с енергийна електроника.