I dag er varme fra tæt elektronik en dyr ressource. For at holde systemet på den rigtige temperatur for optimal beregningsevne, forbruger det amerikanske datacenter kølesystem lige så meget energi og vand som alle indbyggerne i Philadelphia. Nu, ved at integrere flydende kølekanaler direkte i halvlederchips, håber forskere at reducere dette tab i det mindste i kraftelektronik, hvilket gør dem mindre, billigere og mindre energikrævende.
Traditionelt er elektroniske enheder og termiske styringssystemer blevet designet og fremstillet separat, siger Elison Matioli, professor i elektroteknik ved ecole Polytechnique i Lausanne, Schweiz. Dette udgør en grundlæggende barriere for forbedret køleeffektivitet, da varme skal rejse relativt lange afstande på tværs af flere materialer, før det kan fjernes. I dagens' s processorer overfører f.eks. Sifoner af varmt materiale varme fra chippen til omfangsrige, luftkølede kobberfinner.
For en mere energieffektiv løsning udviklede Matioli og hans kolleger en billig proces, der sætter et 3D-netværk af mikrofluidiske kølekanaler direkte ind i halvlederchippen. Væske fjerner varme bedre end luft, og tanken er at holde kølemiddelmikrometeret væk fra det varme sted på chippen.
Men i modsætning til tidligere rapporteret mikrofluid køling sagde han," Vi designer elektronikken og kølesystemet fra begyndelsen." Således er mikrokanalen placeret lige under det aktive område af hver transistorindretning, hvor den er ved sin højeste temperatur, hvilket øger køleeffekten med en faktor 50. De rapporterede deres fælles designkoncept i et nyligt nummer af naturen.
Forskere foreslog mikrokanalkøleteknologi allerede i 1981, og startups som Cooligy har forfulgt ideen om processorer i årevis. Men halvlederindustrien bevæger sig fra plane enheder til tredimensionelle enheder og mod fremtidige chips med flerlagsstrukturer, hvilket gør kølekanaler upraktiske." Denne integrerede køleopløsning er ikke egnet til moderne processorer og chips, såsom cpus," sagde TiweiWei, der forsker i elektroniske køleløsninger på Interuniversity Microelectronics Center og KU Luuven i Belgien." I stedet giver denne køleteknologi mest mening for strømelektronik," han sagde.
Power elektroniske kredsløb styrer og konverterer elektrisk energi og bruges meget i computere, datacentre, solpaneler og elektriske køretøjer. De brugte store områder diskrete enheder fremstillet af bredbåndsgab halvledere såsom galliumnitrid. Strømtætheden af disse enheder er steget i vejret i de sidste par år, hvilket betyder, at de skal være" tilsluttet en kæmpe radiator," Sagde Matoli.
For nylig er kraftelektronikmoduler skiftet til væskekøling, enten gennem koldplade eller mikrokanals kølesystemer. Men indtil nu er alle mikrokanals kølesystemer blevet fremstillet separat og derefter kombineret med chippen. Bindingslag tilføjer varmebestandighed, kanaler og kredsløbsudstyr er ikke tæt justeret.
& quot; Vi tog det til det næste niveau," Siger Matoli ved at lave enheder og kølekanaler i samme chip. De ætsede mikro-dækkende revner i et lag galliumnitrid overtrukket på et siliciumsubstrat. Slidslængde 30μm, dyb 115μm. Ved hjælp af særlige gasætsningsteknikker udvider de huller i siliciumsubstratet for at danne kanaler, gennem hvilke det flydende kølevæske passerer.
Forskerne brugte derefter kobber til at forsegle små åbninger i lagene af galliumnitrid og bygge enheder på dem." Vi har kun mikrokanaler i små områder af skiven, der er i kontakt med hver transistor," han sagde. Dette gør teknologien meget mere effektiv, fordi vi kan hente meget varme fra i nærheden, men den pumpekraft, vi bruger, er meget lille."
Som en demonstration byggede forskerne et AC-DC-ensretterkredsløb bestående af fire Schottky-dioder, der hver kunne klare 1,2 kV spænding. Kredsløb som disse kræver typisk en radiator i knytnæve. Men kredsløbschippen med væskekølesystemet er monteret på et printkort på størrelse med et USB -flashdrev. Kretskortet består af tre lag med kanaler udskåret i det for at levere kølevæsken til chippen.
Displayet viser, at hot spots med en effekttæthed på mere end 1.700 watt pr. Kvadratcentimeter kan afkøles med kun 0,57 watt pr. Kvadratcentimeter pumpekraft. Dette er en 50 gange forbedret ydelse i forhold til den tidligere rapporterede mikrofluidiske kanalafkøling.
& quot; Pålideligheden af galliumnitridfilm og kobberforseglinger bør undersøges over tid. Men denne innovative køleløsning er et stort skridt mod et billigt, ultrakompakt og energieffektivt kraftelektronik-kølesystem.