Idag är värme från tät elektronik en dyr resurs. För att hålla systemet vid rätt temperatur för optimal beräkningsprestanda, förbrukar det amerikanska datacenterets kylsystem lika mycket energi och vatten som alla invånare i Philadelphia. Nu, genom att integrera flytande kylkanaler direkt i halvledarchips, hoppas forskare att minska denna förlust åtminstone inom kraftelektronik, vilket gör dem mindre, billigare och mindre energikrävande.
Traditionellt har elektroniska apparater och värmehanteringssystem konstruerats och tillverkats separat, säger Elison Matioli, professor i elektroteknik vid ecole Polytechnique i Lausanne, Schweiz. Detta utgör en grundläggande barriär för förbättrad kyleffektivitet, eftersom värme måste resa relativt långa sträckor över flera material innan det kan tas bort. I dagens' s processorer överför exempelvis sifoner av hett material värme från chipet till skrymmande, luftkylda kopparfinnen.
För en mer energieffektiv lösning utvecklade Matioli och hans kollegor en billig process som lägger ett 3D-nätverk av mikrofluidiska kylkanaler direkt i halvledarkretsen. Vätska tar bort värme bättre än luft, och tanken är att hålla kylvätskans mikrometer borta från den heta platsen på chipet.
Men till skillnad från tidigare rapporterad mikrofluidisk kylning, sa han," Vi designar elektroniken och kylsystemet från början." Således är mikrokanalen belägen strax under det aktiva området för varje transistoranordning, där den är vid sin högsta temperatur, vilket ökar kylprestandan med en faktor 50. De rapporterade sitt gemensamma designkoncept i ett nyligen utkommande naturnummer.
Forskare föreslog mikrokanalkylningsteknik redan 1981, och nystartade företag som Cooligy har drivit tanken på processorer i flera år. Men halvledarindustrin går från plana enheter till tredimensionella enheter och mot framtida chips med flerskiktsstrukturer, vilket gör kylkanaler opraktiska." Denna inbäddade kylningslösning är inte lämplig för moderna processorer och chips som cpus," sade TiweiWei, som forskar om elektroniska kyllösningar vid Interuniversity Microelectronics Center och KU Luuven i Belgien." I stället är denna kylteknologi det mest vettiga för kraftelektronik," han sa.
Kraftelektroniska kretsar hanterar och konverterar elektrisk energi och används ofta i datorer, datacenter, solpaneler och elfordon. De använde stora områden diskreta enheter gjorda av bredbandiga halvledare som galliumnitrid. Effektdensiteten hos dessa enheter har skjutit i höjden de senaste åren, vilket innebär att de måste vara" anslutna till en jätte radiator," Sa Matoli.
På senare tid har kraftelektronikmoduler gått över till vätskekylning, antingen genom kallplattor eller kylsystem med mikrokanaler. Men fram till nu har alla mikrokanals kylsystem tillverkats separat och sedan kombinerats med chipet. Limningsskikt ger värmebeständighet, kanaler och kretsutrustning är inte tätt inriktade.
& quot; Vi tog det till nästa nivå," Säger Matoli, genom att göra enheter och kylkanaler i samma chip. De etsade mikronbreda sprickor i ett lager av galliumnitrid belagt på ett kiselsubstrat. Spaltlängd 30μm, djup 115μm. Med speciella gasetsningstekniker vidgar de luckor i kiselsubstratet för att bilda kanaler genom vilka det flytande kylvätskan passerar.
Forskarna använde sedan koppar för att täta små öppningar i lagren av galliumnitrid och bygga enheter på dem." Vi har bara mikrokanaler i små delar av skivan som är i kontakt med varje transistor," han sa. Detta gör tekniken mycket mer effektiv eftersom vi kan utvinna mycket värme från närheten, men den pumpkraft vi använder är mycket liten."
Som en demonstration byggde forskarna en AC-DC-likriktarkrets bestående av fyra Schottky-dioder, var och en som kan hantera 1,2 kV spänning. Kretsar som dessa kräver vanligtvis en näve-stor radiator. Men kretschipet med vätskekylsystemet är monterat på ett kretskort i storleken på ett USB -minne. Kretskortet består av tre lager med kanaler ristade i det för att leverera kylvätskan till chipet.
Displayen visar att hotspots med en effekttäthet på mer än 1700 watt per kvadratcentimeter kan kylas med bara 0,57 watt per kvadratcentimeter pumpkraft. Detta är en 50-faldig prestationsförbättring jämfört med den tidigare rapporterade mikrofluidiska kanalkylningen.
& quot; Tillförlitligheten hos galliumnitridfilmer och koppartätningar bör studeras över tid. Men denna innovativa kylningslösning är ett stort steg mot ett billigt, ultrakompakt och energieffektivt kraftelektronikkylsystem.