Numera är värmen som genereras av tät elektronisk utrustning en dyr resursförbrukning. För att hålla systemet vid rätt temperatur för optimal datorprestanda, förbrukar kylsystemet i USA lika mycket energi och vatten som alla invånare i Philadelphia. Nu, genom att integrera vätskekylningskanalen direkt i halvledarkretsen, hoppas forskare att åtminstone minska denna förlust av kraftelektronisk utrustning, vilket gör den mindre, lägre kostnad och lägre energiförbrukning.
Traditionellt konstrueras och tillverkas elektroniska apparater och värmehanteringssystem separat, säger Elison Matioli, professor i elektroteknik vid Ecole Institute of Technology i Lausanne, Schweiz. Detta medför ett grundläggande hinder för att förbättra kylningseffektiviteten, eftersom värme måste resa en relativt lång sträcka i flera material för att avlägsnas. Till exempel, i dagens' s processorer, överför termiska materialhävertar värme från chipet till den skrymmande luftkylda kopparflänsen.
För att få en mer energieffektiv lösning utvecklade Matioli och hans kollegor en billig process som sätter 3D-nätverket av mikrofluidiska kylkanaler direkt i halvledarkretsen. Vätska kan ta bort värme bättre än luft. Tanken är att hålla kylvätskans mikrometer borta från chipets heta fläckar.
Men till skillnad från den tidigare rapporterade mikrofluidiska kyltekniken sa han: "Vi designar elektroniska enheter och kylsystem från början." Därför är mikrokanalen belägen under det aktiva området för varje transistoranordning, där dess temperatur är den högsta, vilket ökar kylprestandan med 50 gånger. De rapporterade sitt gemensamma designkoncept i det senaste" Nature" tidskrift.
Forskare har föreslagit mikrokanalkylningsteknik redan 1981, och nystartade företag som Cooligy har också drivit konceptet processorer. Halvledarindustrin skiftar dock från plana enheter till tredimensionella enheter och går mot framtida chips med flerskiktsstrukturer, vilket gör kylkanaler opraktiska." Denna typ av inbäddad kylningslösning är inte lämplig för moderna processorer och chips, såsom CPU: er," säger Tiwei Wei, som studerar elektroniska kyllösningar vid Interuniversity Microelectronics Center och KU Luuven i Belgien." Tvärtom, denna typ av kylteknik är det mest meningsfulla för kraftelektronik," han sa.
Kraftelektroniska kretsar hanterar och konverterar elektrisk energi, som ofta används inom områden som datorer, datacenter, solpaneler och elfordon. De använde stora områden diskreta enheter gjorda av bredbandiga halvledare som galliumnitrid. Effektdensiteten för dessa enheter har ökat kraftigt under de senaste åren, vilket innebär att de måste vara" anslutna till en enorm kylfläns," Sa Matoli.
Nyligen har kraftelektroniska moduler övergått till vätskekylning, antingen genom kalla plattor eller mikrokanals kylsystem. Hittills har dock alla mikrokanals kylsystem tillverkats separat och sedan kombinerats med chips. Bindningsskiktet ökar värmebeständigheten, och kanalen och kretsanordningen är inte nära inriktade.
& quot; Vi tog det till nästa nivå," Matoli sa, genom att tillverka utrustning och kylkanaler i samma chip. De etsade mikronbreda sprickor i galliumnitridskiktet belagt på kiselsubstratet. Slitsen är 30μm lång och 115μm djup. Med speciell gasetsningsteknik vidgar de gapet på kiselsubstratet för att bilda en kanal genom vilken det flytande kylvätskan passerar.
Sedan använde forskarna koppar för att täta de små öppningarna i galliumnitridskiktet och tillverkade enheter på det. Han sa:" Vi har bara mikrokanaler i små delar av skivan, och dessa mikrokanaler har kontakt med varje transistor. Detta gör denna teknik mer effektiv eftersom vi kan utvinna mycket värme från närheten, men pumpningen vi använder. Kraften är mycket liten."
Som en demonstration gjorde forskarna en AC-DC-likriktarkrets bestående av fyra Schottky-dioder. Varje diod klarar 1,2kV. En sådan krets kräver vanligtvis en kylfläns i näve. Men kretschipet som är integrerat med vätskekylningssystemet är monterat på ett kretskort i storleken på ett USB -minne. Kretskortet består av tre lager med kanaler graverade på det för att leverera kylvätskan till chipet.
Displayen visar att hot spots med en effekttäthet på mer än 1700 W/cm² kan kylas med endast 0,57 W/cm² pumpkraft. Jämfört med den tidigare rapporterade mikrofluidkanalkylningen förbättras prestandan med 50 gånger.
Wei sa," Tillförlitligheten för galliumnitridfilm och koppartätningsskikt bör studeras över tiden. Men denna innovativa kylningslösning är ett steg mot ett" lågkostnad, ultrakompakt och energibesparande kraftelektroniskt kylsystem." Ett stort steg framåt."