Nykyään tiheiden elektronisten laitteiden tuottama lämpö on kallista resurssien kulutusta. Jotta järjestelmä pysyy oikeassa lämpötilassa optimaalisen laskentatehokkuuksen saavuttamiseksi, Yhdysvaltojen jäähdytysjärjestelmä kuluttaa yhtä paljon energiaa ja vettä kuin kaikki Philadelphian asukkaat. Nyt integroimalla nestejäähdytyskanavan suoraan puolijohdesiruun tutkijat toivovat ainakin vähentävänsä tätä tehoe elektronisen laitteen menetystä, mikä tekee siitä pienemmän, alhaisemman ja pienemmän energiankulutuksen.
Perinteisesti elektroniset laitteet ja lämmönhallintajärjestelmät suunnitellaan ja valmistetaan erikseen, kertoo sähkötekniikan professori Elison Matioli Sveitsin Lausannessa. Tämä on perustavanlaatuinen este jäähdytystehokkuuden parantamiselle, koska lämmön on kuljettava suhteellisen pitkä matka useissa materiaaleissa, jotta se voidaan poistaa. Esimerkiksi nykypäivän prosessoreissa lämpömateriaalisifonit siirtävät lämpöä sirusta tilaa vievään ilmajäähdytettyyn kuparilämpöaltaaseen.
Energiatehokkaamman ratkaisun saamiseksi Matioli kollegoineen kehitti edullisen prosessin, joka asettaa mikrofluidijäähdytyskanavien 3D-verkon suoraan puolijohdesiruun. Neste voi poistaa lämpöä ilmaa paremmin. Ajatuksena on pitää jäähdytysastian mikrometri kaukana sirun kuumista paikoista.
Mutta toisin kuin aiemmin raportoitu mikrofluidijäähdytysteknologia, hän sanoi: "Suunnittelemme elektronisia laitteita ja jäähdytysjärjestelmiä alusta alkaen." Siksi mikrokanava sijaitsee kunkin transistorilaitteen aktiivisen alueen alapuolella, jossa sen lämpötila on korkein, mikä lisää jäähdytystehoa 50-kertaiseksi. He kertoivat yhteisestä suunnittelukonseptistaan tuoreessa Nature-lehdessä.
Tutkijat ovat ehdottaneet mikrokanavajäähdytysteknologiaa jo vuonna 1981, ja myös Cooligyn kaltaiset startup-yritykset ovat tavoitelleet jalostajien konseptia. Puolijohdeteollisuus on kuitenkin siirtymässä planaarisista laitteista kolmiulotteisiin laitteisiin ja siirtymässä kohti tulevia siruja monikerroksisilla rakenteilla, mikä tekee jäähdytyskanavista epäkäytännöllisiä. "Tällainen sulautettu jäähdytysratkaisu ei sovellu nykyaikaisiin prosessoritiileihin ja siruihin, kuten CTU:ihin", sanoi Tiwei Wei, joka tutkii elektronisia jäähdytysratkaisuja Interuniversity Microelectronics Centerissä ja KU Luuvenissa Belgiassa. "Päinvastoin, tällainen jäähdytystekniikka on järkevintä tehoelektroniikan puolesta", hän sanoi.
Sähköelektroniikkapiirit hallitsevat ja muuntavat sähköenergiaa, jota käytetään laajalti esimerkiksi tietokoneissa, datakeskuksissa, aurinkopaneeleissa ja sähköajoneuvoissa. He käyttivät laajakaistaisia puolijohteisiin, kuten galliumnitridiin, valmistettuja laaja-alainen erillinen laite. Näiden laitteiden tehotiheys on noussut voimakkaasti viime vuosina, mikä tarkoittaa, että ne on "kytkettävä valtavaan jäähdytyselementtiin", Matoli sanoi.
Viime aikoina sähköelektroniikkamoduulit ovat kääntyneet nestejäähdytykseen joko kylmälevyjen tai mikrokanavajäähdytysjärjestelmien kautta. Tähän mennessä kaikki mikrokanavajäähdytysjärjestelmät on kuitenkin valmistettu erikseen ja yhdistetty siruihin. Sidoskerros lisää lämmönkestävyyttä, eivätkä kanava ja piirilaite ole tiiviisti linjassa.
"Veimme sen seuraavalle tasolle", Matoli sanoi valmistamalla laitteita ja jäähdytyskanavia samassa sirussa. He kaiversivat mikroninlaajuisia halkeamia piin alustalle pinnoitettuun galliumnitridikerrokseen. Rako on 30 μm pitkä ja 115 μm syvä. Käyttämällä erityistä kaasun syövytystekniikkaa ne leventävät piialustan aukkoa muodostaakseen kanavan, jonka kautta nestemäinen jäähdytysneste kulkee.
Sitten tutkijat käyttivät kuparia sulkeakseen galliumnitridikerroksen pienet aukot ja siinä käytetyt laitteet. Hän sanoi: "Meillä on mikrokanavat vain kiekon pienillä alueilla, ja nämä mikrokanavat ovat kosketuksissa jokaisen transistorin kanssa. Tämä tekee tästä teknologiasta tehokkaampaa, koska voimme ottaa paljon lämpöä lähistöltä, mutta pumppaus, jota käytämme Teho on hyvin pieni."
Demonstraatioksi tutkijat tekivät AC-DC-tasasuuntaajapiirin, joka koostui neljästä Schottky-diodista. Jokainen diodi kestää 1,2kV. Tällainen piiri vaatii yleensä nyrkin kokoisen jäähdytyselementtiä. Mutta nestejäähdytysjärjestelmään integroitu piiripiiripiiri asennetaan USB-muistitikun kokoisille painetuille piirilevyille. Piirilevy koostuu kolmesta kerroksesta, joiden kanavat on kaiverrettu siihen jäähdytysnesteen toimittamiseksi siruun.
Näytöstä käy ilmi, että yli 1700 W/cm² tehotiheyden lämpöpisteitä voidaan jäähdyttää vain 0,57 W/cm² pumppausteholla. Aiemmin raportoituun mikrofluidikanavan jäähdytykseen verrattuna suorituskyky paranee 50-kertainen.
Wei sanoi: "Galliumnitridikalvon ja kuparitiivistekerroksen luotettavuutta on tutkittava ajan mittaan. Mutta tämä innovatiivinen jäähdytysratkaisu on askel kohti "edullista, erittäin kompaktia ja energiaa säästävää elektronista jäähdytysjärjestelmää". Iso askel eteenpäin."