Danes je toplota iz goste elektronike drag vir. Da bi ohranili pravo temperaturo sistema za optimalne računalniške zmogljivosti, hladilni sistem ameriškega podatkovnega centra porabi toliko energije in vode kot vsi prebivalci Philadelphije. Zdaj raziskovalci upajo, da bodo z integracijo kanalov za hlajenje tekočin neposredno v polprevodniške čipe zmanjšali to izgubo vsaj v močni elektroniki, tako da bodo manjši, cenejši in manj energetsko intenzivni.
Tradicionalno so bile elektronske naprave in sistemi za upravljanje toplote zasnovani in izdelani ločeno, pravi Elison Matioli, profesor elektrotehnike na ecole Polytechnique v Lausanni v Švici. To predstavlja temeljno oviro za izboljšanje učinkovitosti hlajenja, saj mora toplota preiti relativno velike razdalje po več materialih, preden jo lahko odstranimo. V današnjih predelovalcih' na primer, sifoni vročega materiala prenašajo toploto iz čipa na obsežne, zračno hlajene bakrene plavuti.
Za energetsko učinkovitejšo rešitev sta Matioli in njegovi sodelavci razvili poceni postopek, ki 3D mrežo mikrofluidnih hladilnih kanalov postavi neposredno v polprevodniški čip. Tekočina odstranjuje toploto bolje kot zrak, ideja pa je, da hladilni medij držite stran od vroče točke na čipu.
Toda za razliko od prej prijavljenega mikrofluidnega hlajenja je dejal:" Elektroniko in hladilni sistem oblikujemo od začetka." Tako se mikrokanal nahaja tik pod aktivnim območjem vsake tranzistorske naprave, kjer je na najvišji temperaturi, kar poveča zmogljivost hlajenja za faktor 50. O svojem skupnem oblikovalskem konceptu so poročali v nedavni številki Nature.
Raziskovalci so tehnologijo mikrokanalnega hlajenja predlagali že leta 1981, zagonski podjetji, kot je Cooligy, pa že leta sledijo ideji o procesorjih. Toda industrija polprevodnikov se premika od ravninskih naprav do tridimenzionalnih naprav in k prihodnjim čipom z večplastnimi strukturami, zaradi česar so hladilni kanali nepraktični." Ta vgrajena hladilna rešitev ni primerna za sodobne procesorje in čipe, kot je cpus," je dejal TiweiWei, ki raziskuje rešitve za elektronsko hlajenje v Meduniverzitetnem centru za mikroelektroniko in KU Luuven v Belgiji." Namesto tega je ta hladilna tehnologija najbolj smiselna za energetsko elektroniko," rekel je.
Močna elektronska vezja upravljajo in pretvarjajo električno energijo in se pogosto uporabljajo v računalnikih, podatkovnih centrih, sončnih kolektorjih in električnih vozilih. Uporabljali so diskretne naprave z veliko površino, izdelane iz širokopasovnih polprevodnikov, kot je galijev nitrid. Gostota moči teh naprav se je v zadnjih nekaj letih močno povečala, kar pomeni, da jih je treba" priključiti na velikanski radiator," Je rekel Matoli.
V zadnjem času so moduli močnostne elektronike prešli na tekoče hlajenje bodisi s hladilnimi ploščami bodisi z mikrokanalnimi hladilnimi sistemi. Toda do sedaj so bili vsi mikrokanalni hladilni sistemi izdelani ločeno in nato združeni s čipom. Vezni sloj doda toplotno odpornost, kanali in oprema vezja niso tesno poravnani.
& quot; Prešli smo na naslednjo stopnjo," Matoli pravi, da naprave in hladilne kanale naredi v istem čipu. V plast galijevega nitrida, prevlečenega na silikonski podlagi, so jedkali mikronske razpoke. Dolžina reže 30μm, globoka 115μm. S posebnimi tehnikami jedkanja na plin povečajo vrzeli v silicijevi podlagi, da tvorijo kanale, skozi katere prehaja tekoče hladilno sredstvo.
Raziskovalci so nato uporabili baker za zatesnitev drobnih odprtin v plasteh galijevega nitrida in na njih zgradili naprave." Mikrokanale imamo le na majhnih območjih rezine, ki so v stiku z vsakim tranzistorjem," rekel je. Zaradi tega je tehnologija veliko učinkovitejša, saj lahko v bližini črpamo veliko toplote, vendar je črpalna moč, ki jo uporabljamo, zelo majhna."
Kot demonstracijo so raziskovalci zgradili usmernik AC-DC, sestavljen iz štirih Schottkyjevih diod, od katerih je vsaka sposobna prenašati napetost 1,2 kV. Takšna vezja običajno zahtevajo radiator velikosti pest. Toda vezje s tekočinskim hladilnim sistemom je nameščeno na tiskanem vezju velikosti USB -pogona. Vezje je sestavljeno iz treh plasti, v katere so vklesani kanali za dovajanje hladilne tekočine v čip.
Zaslon prikazuje, da je mogoče vroče točke z gostoto moči več kot 1700 vatov na kvadratni centimeter ohladiti s samo 0,57 vati na kvadratni centimeter črpalne moči. To je 50-kratno izboljšanje zmogljivosti v primerjavi s predhodno prijavljenim hlajenjem mikrofluidnega kanala.
& "Zanesljivost filmov galijevega nitrida in bakrenih tesnil je treba sčasoma preučiti. Toda ta inovativna hladilna rešitev je velik korak k poceni, ultra kompaktnemu in energetsko učinkovitemu hladilnemu sistemu z elektroniko.