Hoje em dia, o calor gerado por equipamentos eletrônicos densos é um alto consumo de recursos. Para manter o sistema na temperatura certa para desempenho de computação ideal, o sistema de refrigeração nos Estados Unidos consome tanta energia e água quanto todos os residentes da Filadélfia. Agora, ao integrar o canal de resfriamento de líquido diretamente no chip semicondutor, os pesquisadores esperam pelo menos reduzir essa perda no equipamento eletrônico de potência, tornando-o menor, com custo menor e menor consumo de energia.
Tradicionalmente, os dispositivos eletrônicos e sistemas de gerenciamento térmico são projetados e fabricados separadamente, diz Elison Matioli, professor de engenharia elétrica do Instituto Ecole de Tecnologia em Lausanne, Suíça. Isso traz um obstáculo fundamental para melhorar a eficiência do resfriamento, porque o calor deve percorrer uma distância relativamente longa em vários materiais para ser removido. Por exemplo, nos processadores atuais do' s, os sifões de material térmico transferem calor do chip para o dissipador de calor de cobre resfriado a ar.
Para obter uma solução mais eficiente em termos de energia, Matioli e seus colegas desenvolveram um processo de baixo custo que coloca a rede 3D de canais de resfriamento microfluídico diretamente no chip semicondutor. O líquido pode remover o calor melhor do que o ar. A ideia é manter o micrômetro de refrigeração longe dos pontos quentes do chip.
Mas, ao contrário da tecnologia de resfriamento microfluídico relatada anteriormente, ele disse:" Nós projetamos dispositivos eletrônicos e sistemas de resfriamento desde o início." Portanto, o microcanal está localizado abaixo da área ativa de cada dispositivo transistor, onde sua temperatura é mais alta, o que aumenta o desempenho de resfriamento em 50 vezes. Eles relataram seu conceito de design comum no recente" Nature" revista.
Os pesquisadores propuseram a tecnologia de resfriamento de micro-canais já em 1981, e empresas iniciantes como a Cooligy também têm buscado o conceito de processadores. No entanto, a indústria de semicondutores está mudando de dispositivos planos para dispositivos tridimensionais, e está se movendo em direção a futuros chips com estruturas multicamadas, o que torna os canais de resfriamento impraticáveis." Este tipo de solução de resfriamento embarcado não é adequado para processadores e chips modernos, como CPUs," disse Tiwei Wei, que estuda soluções de resfriamento eletrônico no Interuniversity Microelectronics Center e KU Luuven na Bélgica." Pelo contrário, este tipo de tecnologia de refrigeração faz mais sentido para a electrónica de potência," ele disse.
Os circuitos eletrônicos de energia gerenciam e convertem a energia elétrica, que é amplamente utilizada em campos como computadores, data centers, painéis solares e veículos elétricos. Eles usaram dispositivos discretos de grande área feitos de semicondutores de largo bandgap, como o nitreto de gálio. A densidade de potência desses dispositivos aumentou drasticamente nos últimos anos, o que significa que eles devem ser" ligados a um enorme dissipador de calor," Disse Matoli.
Recentemente, os módulos eletrônicos de potência passaram a resfriar a líquido, seja por placas frias ou por sistemas de resfriamento de microcanais. No entanto, até o momento, todos os sistemas de refrigeração de microcanais foram fabricados separadamente e depois combinados com chips. A camada de ligação aumenta a resistência ao calor e o canal e o dispositivo de circuito não estão alinhados de perto.
GG quot; Levamos isso para o próximo nível," Matoli disse, por equipamentos de fabricação e canais de resfriamento no mesmo chip. Eles gravaram rachaduras de largura mícron na camada de nitreto de gálio revestida no substrato de silício. A fenda tem 30μm de comprimento e 115μm de profundidade. Usando tecnologia especial de gravação a gás, eles aumentam a lacuna no substrato de silício para formar um canal através do qual o líquido refrigerante passa.
Em seguida, os pesquisadores usaram cobre para selar as minúsculas aberturas na camada de nitreto de gálio e fabricaram dispositivos nela. Ele disse:" Só temos microcanais em áreas minúsculas do wafer, e esses microcanais têm contato com todos os transistores. Isso torna essa tecnologia mais eficaz porque podemos extrair muito calor das proximidades, mas o bombeamento que usamos. A potência é muito pequena."
Como demonstração, os pesquisadores fizeram um circuito retificador AC-DC composto por quatro diodos Schottky, cada diodo pode lidar com uma tensão de 1,2kV, um circuito como este geralmente requer um dissipador de calor do tamanho de um punho. Mas o chip de circuito integrado ao sistema de refrigeração líquida é montado em uma placa de circuito impresso do tamanho de uma unidade flash USB. A placa de circuito consiste em três camadas com canais gravados para fornecer o líquido de resfriamento ao chip.
O display mostra que os pontos quentes com uma densidade de potência de mais de 1700 W / cm² podem ser resfriados por apenas 0,57 W / cm² de potência de bombeamento. Comparado com o resfriamento de canal microfluídico relatado anteriormente, o desempenho é melhorado em 50 vezes.
Wei disse," A confiabilidade do filme de nitreto de gálio e da camada de vedação de cobre deve ser estudada ao longo do tempo. Mas esta solução de refrigeração inovadora é um passo em direção a um sistema eletrônico de refrigeração&de baixo custo, ultracompacto e com economia de energia." Um grande passo em frente."
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