U današnje vrijeme toplina koju stvara gusta elektronička oprema skupa je potrošnja resursa. Kako bi sustav održavao odgovarajuću temperaturu za optimalne računalne performanse, rashladni sustav u Sjedinjenim Državama troši toliko energije i vode kao i svi stanovnici Philadelphije. Sada, integriranjem kanala za hlađenje tekućine izravno u poluvodički čip, istraživači se nadaju da će barem smanjiti ovaj gubitak u elektroničkoj opremi, čineći ga manjim, nižim troškovima i manjom potrošnjom energije.
Tradicionalno, elektronički uređaji i sustavi upravljanja toplinom dizajnirani su i proizvedeni odvojeno, kaže Elison Matioli, profesor elektrotehnike na Ecole Institute of Technology u Lausanni, Švicarska. To donosi temeljnu prepreku poboljšanju učinkovitosti hlađenja, jer toplina mora prijeći relativno veliku udaljenost u više materijala koje treba ukloniti. Na primjer, u današnjim procesorima' sifoni za termalne materijale prenose toplinu iz čipa u glomazni bakreni hladnjak hlađen zrakom.
Kako bi dobili energetski učinkovitije rješenje, Matioli i njegovi kolege razvili su jeftin proces koji stavlja 3D mrežu mikrofluidnih rashladnih kanala izravno u poluvodički čip. Tekućina može ukloniti toplinu bolje od zraka. Ideja je držati mikrometar rashladne tekućine dalje od žarišta čipa.
No, za razliku od prethodno prijavljene tehnologije mikrofluidnog hlađenja, rekao je: "Mi od početka dizajniramo elektroničke uređaje i rashladne sustave." Stoga se mikrokanal nalazi ispod aktivnog područja svakog tranzistorskog uređaja, gdje je njegova najviša temperatura, što povećava performanse hlađenja za 50 puta. Oni su izvijestili o svom zajedničkom dizajnerskom konceptu u nedavnom" Nature" časopis.
Istraživači su već 1981. predložili tehnologiju hlađenja mikrokanala, a start-up tvrtke poput Cooligyja također su slijedile koncept procesora. Međutim, industrija poluvodiča prelazi s planarnih na trodimenzionalne uređaje te se kreće prema budućim čipovima s višeslojnom strukturom, što rashladne kanale čini nepraktičnim.&"Ova vrsta ugrađenog rješenja za hlađenje nije prikladna za moderne procesore i čipove, poput CPU -a," rekao je Tiwei Wei, koji proučava rješenja za elektroničko hlađenje u Međuuniverzitetskom centru za mikroelektroniku i KU Luuven u Belgiji." Naprotiv, ova vrsta rashladne tehnologije ima najviše smisla za energetsku elektroniku," On je rekao.
Snažni elektronički krugovi upravljaju i pretvaraju električnu energiju, koja se široko koristi u područjima kao što su računala, podatkovni centri, solarni paneli i električna vozila. Koristili su diskretne uređaje velike površine izrađene od poluprovodnika širokog pojasa, poput galijevog nitrida. Gustoća snage ovih uređaja naglo je porasla u posljednjih nekoliko godina, što znači da moraju biti" spojeni s velikim hladnjakom," Rekao je Matoli.
Nedavno su se energetski elektronički moduli okrenuli tekućinskom hlađenju, bilo putem hladnih ploča ili mikrokanalnih rashladnih sustava. Međutim, do danas su svi mikrokanalni rashladni sustavi proizvedeni zasebno, a zatim su kombinirani s čipovima. Spojni sloj povećava otpornost na toplinu, a kanal i sklopni krug nisu usko poravnati.
& quot; Prešli smo na sljedeću razinu," Matoli je rekao, proizvodnjom opreme i rashladnih kanala u istom čipu. Urezali su pukotine široke mikrona u sloju galijevog nitrida premazanom na silicijevoj podlozi. Prorez je dugačak 30μm i dubok 115μm. Koristeći posebnu tehnologiju jetkanja plinom, povećavaju jaz na silicijskoj podlozi stvarajući kanal kroz koji prolazi tekuća rashladna tekućina.
Zatim su istraživači upotrijebili bakar za zatvaranje sićušnih otvora u sloju galij -nitrida i izrađene uređaje na njemu. Rekao je: "&" "Mi imamo samo mikrokanale u malim područjima pločice, a ti su mikrokanali u kontaktu sa svakim tranzistorima. Ovo čini ovu tehnologiju učinkovitijom jer možemo izvući mnogo topline iz obližnjih mjesta, ali crpljenje koje koristimo Snaga je vrlo mala."
Kao demonstraciju, istraživači su napravili AC-DC ispravljački krug sastavljen od četiri Schottkyjeve diode. Svaka dioda može podnijeti 1,2kV. Takav krug obično zahtijeva hladnjak hladnjaka veličine šake. Ali čip sklopa integriran sa sustavom tekućeg hlađenja montiran je na tiskanu ploču veličine USB memorijskog pogona. Pločica se sastoji od tri sloja s ugraviranim kanalima za isporuku rashladne tekućine u čip.
Zaslon pokazuje da se vruće točke s gustoćom snage većom od 1700 W/cm² mogu ohladiti samo s 0,57 W/cm² snage crpljenja. U usporedbi s prethodno prijavljenim hlađenjem mikrofluidnog kanala, performanse su poboljšane 50 puta.
Wei je rekao:&"Pouzdanost filma galijevog nitrida i bakrenog brtvenog sloja treba proučavati s vremenom. No, ovo inovativno rješenje za hlađenje korak je prema&"jeftinom, ultrakompaktnom i energetski štedljivom elektroničkom sustavu hlađenja." Veliki korak naprijed."