Hoje em dia, o calor gerado por equipamentos eletrônicos densos é um consumo de recursos caro. A fim de manter o sistema na temperatura certa para um desempenho computacional ideal, o sistema de resfriamento nos Estados Unidos consome tanta energia e água quanto todos os residentes da Filadélfia. Agora, ao integrar o canal de resfriamento líquido diretamente no chip semicondutor, os pesquisadores esperam pelo menos reduzir essa perda de equipamentos eletrônicos de energia, tornando-o menor, menor custo e menor consumo de energia.
Tradicionalmente, 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, pois o calor deve percorrer uma distância relativamente longa em múltiplos materiais a serem removidos. Por exemplo, nos processadores atuais, os sifões de material térmico transferem calor do chip para o dissipador de calor de cobre volumoso refrigerado 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 microfluido diretamente no chip de semicondutores. O líquido pode remover o calor melhor do que o ar. A ideia é manter o micrômetro de refr refrigerante longe dos pontos quentes do chip.
Mas ao contrário da tecnologia de resfriamento microfluido relatada anteriormente, ele disse: "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 mais alta, o que aumenta o desempenho de resfriamento em 50 vezes. Eles relataram seu conceito de design comum na recente revista "Nature".
Pesquisadores propuseram tecnologia de resfriamento de microcanais já em 1981, e empresas iniciantes como a Cooligy também têm perseguido o conceito de processadores. No entanto, a indústria de semicondutores está mudando de dispositivos planar para dispositivos tridimensionais, e está se movendo em direção a chips futuros com estruturas multicamadas, o que torna os canais de resfriamento impraticáveis. "Esse tipo de solução de resfriamento embarcada não é adequada 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, esse tipo de tecnologia de resfriamento faz mais sentido para a eletrônica de energia", disse ele.
Circuitos eletrônicos de energia gerenciam e convertem energia elétrica, que são amplamente utilizadas em campos como computadores, data centers, painéis solares e veículos elétricos. Eles usaram dispositivos discretos de grande área feitos de semicondutores de banda larga, como o nitreto de gálio. A densidade de energia desses dispositivos aumentou acentuadamente nos últimos anos, o que significa que eles devem ser "ligados a uma enorme dissipação de calor", disse Matoli.
Recentemente, os módulos eletrônicos de energia se voltaram para o resfriamento líquido, seja através de placas frias ou sistemas de resfriamento de microcanais. No entanto, até o momento, todos os sistemas de resfriamento de microcanais foram fabricados separadamente e, em seguida, combinados com chips. A camada de ligação aumenta a resistência ao calor, e o canal e o dispositivo de circuito não estão intimamente alinhados.
"Levamos isso para o próximo nível", disse Matoli, fabricando equipamentos e canais de resfriamento no mesmo chip. Eles gravaram rachaduras de micron-wide 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 gravura a gás, eles ampliam a lacuna no substrato de silício para formar um canal através do qual o refrigerante líquido passa.
Em seguida, os pesquisadores usaram cobre para selar as pequenas aberturas na camada de nitreto de gálio e dispositivos fabricados nele. Ele disse: "Só temos microcanais em pequenas áreas do wafer, e esses microcanais estão em contato com todos os transistores. Isso torna essa tecnologia mais eficaz porque podemos extrair muito calor das proximidades, mas o bombeamento que usamos A energia é muito pequena."
Como demonstração, os pesquisadores fizeram um circuito retificador AC-DC composto por quatro diodos Schottky. Cada diodo pode suportar 1.2kV. Um circuito como este geralmente requer uma pia de calor do tamanho de um punho. Mas o chip de circuito integrado ao sistema de resfriamento líquido 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 sobre ele para entregar o líquido de resfriamento ao chip.
O display mostra que pontos quentes com densidade de potência superior a 1700 W/cm² podem ser resfriados por apenas 0,57 W/cm² de bombeamento. Em comparação com o resfriamento do canal microfluido 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 inovadora de resfriamento é um passo para um "sistema eletrônico de resfriamento eletrônico de energia de baixo custo, ultracompacto e economia de energia". Um grande passo em frente.