Avui en dia, la calor de l'electrònica densa és un recurs car. Per mantenir el sistema a la temperatura adequada per obtenir un rendiment computacional òptim, el sistema de refrigeració del centre de dades dels EUA consumeix tanta energia i aigua com tots els residents a Filadèlfia. Ara, en integrar els canals de refrigeració líquida directament en xips de semiconductors, els investigadors esperen reduir aquesta pèrdua almenys en l’electrònica de potència, fent-los més petits, més econòmics i amb menys consum d’energia.
Tradicionalment, els dispositius electrònics i els sistemes de gestió tèrmica s’han dissenyat i fabricat per separat, diu Elison Matioli, professora d’enginyeria elèctrica a l’ecole Polytechnique de Lausana, Suïssa. Això presenta una barrera fonamental per millorar l'eficiència de refrigeració, ja que la calor ha de recórrer distàncies relativament llargues a través de múltiples materials abans de poder eliminar-la. En els processadors&actuals, per exemple, els sifons de material calent transfereixen calor del xip a les voluminoses aletes de coure refrigerades per aire.
Per obtenir una solució més eficient energèticament, Matioli i els seus col·legues van desenvolupar un procés de baix cost que posa una xarxa 3D de canals de refrigeració microfluídics directament al xip semiconductor. El líquid elimina millor la calor que l’aire i la idea és mantenir el micròmetre de refrigerant allunyat del punt calent del xip.
Però, a diferència del refredament microfluídic que es va informar anteriorment, va dir, &: "Dissenyem l'electrònica i el sistema de refrigeració des del principi." Per tant, el microcanal es troba just per sota de la regió activa de cada dispositiu de transistor, on es troba a la temperatura més alta, cosa que augmenta el rendiment de refrigeració en un factor de 50. Van informar del seu concepte de disseny conjunt en un recent número de la naturalesa.
Els investigadors van proposar la tecnologia de refrigeració de microcanals ja el 1981 i empreses emergents com Cooligy han estat perseguint la idea de processadors durant anys. Però la indústria dels semiconductors passa de dispositius plans a dispositius tridimensionals i cap a futurs xips amb estructures multicapa, cosa que fa que els canals de refrigeració siguin poc pràctics." Aquesta solució de refrigeració incrustada no és adequada per a processadors i xips moderns com cpus," va dir TiweiWei, que investiga solucions de refrigeració electrònica al Centre de Microelectrònica Interuniversitari i KU Luuven a Bèlgica." En canvi, aquesta tecnologia de refrigeració té el màxim sentit per a l’electrònica de potència," Ell va dir.
Els circuits electrònics de potència gestionen i converteixen l’energia elèctrica i s’utilitzen àmpliament en ordinadors, centres de dades, plaques solars i vehicles elèctrics. Van utilitzar dispositius discrets de gran superfície fets de semiconductors de banda ampla com el nitrur de gal. La densitat de potència d’aquests dispositius s’ha disparat en els darrers anys, cosa que significa que han de ser" connectats a un radiador gegant," Va dir Matoli.
Més recentment, els mòduls d’electrònica de potència han passat al refredament per líquid, ja sigui mitjançant sistemes de refrigeració per plaques fredes o microcanals. Però, fins ara, tots els sistemes de refrigeració de microcanal s'han fabricat per separat i després s'han combinat amb el xip. La capa d’unió afegeix resistència a la calor, els canals i els equips de circuits no estan ben alineats.
& quot; Hem passat al següent nivell," Diu Matoli, creant dispositius i canals de refrigeració en el mateix xip. Van gravar esquerdes de tota una micra en una capa de nitrur de gal·li recobert sobre un substrat de silici. Llargada de 30μm, profunditat de 115μm. Mitjançant tècniques especials de gravat de gasos, amplien els buits del substrat de silici per formar canals pels quals passa el refrigerant líquid.
Els investigadors van utilitzar el coure per segellar petites obertures de les capes de nitrur de gal i construir-hi dispositius." Només tenim microcanals en petites zones de l’hòstia que estan en contacte amb cada transistor," Ell va dir. Això fa que la tecnologia sigui molt més eficaç perquè podem extreure molta calor de prop, però la potència de bombament que fem servir és molt petita."
Com a demostració, els investigadors van construir un circuit rectificador AC-DC format per quatre díodes Schottky, cadascun capaç de manejar 1,2 kV de tensió. Circuits com aquests solen requerir un radiador de mida primera. Però el xip de circuit amb el sistema de refrigeració líquida està muntat en una placa de circuit imprès de la mida d’una unitat flash USB. La placa de circuit està formada per tres capes amb canals esculpits per subministrar el refrigerant al xip.
La pantalla mostra que els punts calents amb una densitat de potència superior a 1.700 watts per centímetre quadrat es poden refredar amb només 0,57 watts per centímetre quadrat de potència de bombament. Es tracta d’una millora de 50 vegades en el rendiment en comparació amb el refredament del canal microfluídic anteriorment informat.
& quot; La fiabilitat de les pel·lícules de nitrur de gal i els segells de coure s’hauria d’estudiar al llarg del temps. Però aquesta innovadora solució de refrigeració és un gran pas cap a un sistema de refrigeració electrònic de potència de baix cost, ultracompacte i eficient en l'energia.