Сегодняшняя плотно упакованная электроника выделяет много тепла. Проблема в том, что тепло является дорогостоящим ресурсом для управления и отвода тепла, как и для охлаждения систем. Особенно страдают центры обработки данных, некоторые из которых потребляют столько же энергии и воды, как и целые города. Фактически, Microsoft, пытаясь бороться с перегревом центров обработки данных, поставила один на дно океана, чтобы сохранить прохладу.
Теперь исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии надеются уменьшить нагрев и его последующее истощение ресурсов в устройствах силовой электроники за счет интеграции каналов жидкостного охлаждения непосредственно в полупроводниковый чип. Это сделает их меньше, дешевле и эффективнее.
Их исследование, опубликованное в журнале Nature, описывает, как команда EPFL разработала свою интегрированную микрофлюидную технологию вместе с электроникой, которая может эффективно управлять большими потоками тепла, генерируемого транзисторами.
Традиционно электроника и системы управления теплом проектируются и разрабатываются отдельно друг от друга. Однако, по словам Элисон Матиоли, профессора электротехники в EPFL, это создает неэффективность, потому что тепло должно затем распространяться на большие расстояния и через несколько материалов для его удаления.
В качестве более эффективной альтернативы Матиоли и его команда из EPFL разработали недорогой процесс, который интегрирует трехмерную (3D) сеть каналов микрожидкостного охлаждения непосредственно в кремниевый чип.
Идея заключается в том, что жидкости отводят тепло намного лучше, чем воздух, и, разместив эти каналы всего в нескольких микрометрах от самых горячих областей чипа, они эффективно отводят тепло и избавляются от дополнительных методов охлаждения. Однако в отличие от методов микрожидкостного охлаждения, о которых сообщалось ранее, команда EPFL разработала электронику и систему охлаждения «вместе с самого начала». Это означает, что микроканалы находятся непосредственно под активной областью каждого транзисторного устройства, где выделяется больше всего тепла, что увеличивает эффективность охлаждения в 50 раз.
Напротив, предыдущие набеги на микроканальные системы охлаждения были сделаны путем сборки двух частей по отдельности и последующего соединения их друг с другом, что увеличивает термостойкость. В этом исследовании исследователи EPFL протравливают микрометровые щели длиной 30 мкм и глубиной 115 мкм в слое нитрида галлия (GaN), нанесенном на кремниевую подложку. Используя технику газового травления, эти щели в кремниевой подложке расширяются, чтобы сформировать каналы, через которые перекачивается жидкий хладагент.
Эти щели затем запечатываются медью, а сам чип устанавливается сверху. «У нас есть микроканалы только в крошечной области пластины, которая контактирует с каждым транзистором», - говорит Матиоли. Он добавляет, что это делает эту технику особенно эффективной, потому что можно извлечь много тепла с очень небольшой необходимой насосной мощностью.
Чтобы продемонстрировать жизнеспособность своего чипа, исследователи построили схему выпрямителя постоянного и переменного тока, состоящую из четырех диодов Шоттки. Этот тип схемы обычно требует большого радиатора, но со встроенной системой охлаждения микросхема располагается на небольшой печатной плате, которая состоит из трех слоев с прорезанными в ней каналами для подачи охлаждающей жидкости. Результаты этого теста показывают, что горячие точки на устройстве с плотностью более 1700 см2 можно охладить с помощью мощности накачки всего 0,57 Вт / см2 – это 50-кратное увеличение производительности по сравнению с ранее описанными методами микрожидкостного охлаждения.
© digitrode.ru