امروزه گرمای ناشی از وسایل الکترونیکی متراکم یک منبع گران قیمت است. برای حفظ سیستم در دمای مناسب برای عملکرد محاسباتی مطلوب ، سیستم خنک کننده مرکز داده ایالات متحده به اندازه تمام ساکنان فیلادلفیا انرژی و آب مصرف می کند. در حال حاضر ، با ادغام کانالهای خنک کننده مایع به طور مستقیم در تراشه های نیمه هادی ، محققان امیدوارند این ضرر را حداقل در قطعات الکترونیکی قدرت کاهش دهند ، و آنها را کوچکتر ، ارزان تر و کم مصرف تر کنند.
الیسون ماتیولی ، استاد مهندسی برق در ecole Polytechnique در لوزان ، سوئیس ، می گوید: به طور سنتی ، دستگاه های الکترونیکی و سیستم های مدیریت حرارتی به طور جداگانه طراحی و تولید شده اند. این یک مانع اساسی برای بهبود کارایی خنک کننده است ، زیرا گرما قبل از اینکه بتواند حذف شود باید مسافتهای نسبتاً طولانی را در چندین ماده طی کند. در پردازنده های امروزی' ، به عنوان مثال ، سیفون های مواد داغ گرما را از تراشه به باله های مسی حجیم و خنک با هوا منتقل می کنند.
ماتیولی و همکارانش برای راه حلی کارآمدتر ، فرایندی کم هزینه ایجاد کردند که یک شبکه سه بعدی از کانال های خنک کننده میکروسیالی را مستقیماً در تراشه نیمه هادی قرار می دهد. مایع گرما را بهتر از هوا حذف می کند و ایده این است که میکرومتر خنک کننده را از نقطه داغ تراشه دور نگه دارید.
او گفت ، اما برخلاف سرمایش میکروسیالی که قبلاً گزارش شده بود ،"؛ ما از ابتدا وسایل برقی و سیستم خنک کننده را طراحی می کنیم."؛ بنابراین ، میکروکانال درست در زیر ناحیه فعال هر دستگاه ترانزیستور قرار دارد ، جایی که در بالاترین دمای خود قرار دارد ، که عملکرد خنک کننده را تا 50 برابر افزایش می دهد. آنها مفهوم طراحی مشترک خود را در شماره اخیر طبیعت گزارش کردند.
محققان فناوری خنک کننده میکروکانالی را در سال 1981 پیشنهاد کردند و استارتاپ هایی مانند Cooligy سالهاست که ایده پردازنده را دنبال می کنند. اما صنعت نیمه هادی ها از دستگاه های مسطح به دستگاه های سه بعدی و به سمت تراشه های آینده با ساختارهای چند لایه در حال حرکت است و کانال های خنک کننده را غیر عملی می کند."؛ این محلول خنک کننده تعبیه شده برای پردازنده ها و تراشه های مدرن مانند cpus ،" مناسب نیست. گفت TiweiWei ، که در حال بررسی راه حل های خنک کننده الکترونیکی در مرکز میکروالکترونیک بین دانشگاهی و KU Luuven در بلژیک است."؛ در عوض ، این فناوری خنک کننده بیشترین حس را برای الکترونیک قدرت دارد ،"؛ او گفت.
مدارهای الکترونیکی قدرت ، انرژی الکتریکی را مدیریت و تبدیل می کنند و به طور گسترده ای در رایانه ها ، مراکز داده ، صفحات خورشیدی و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود. آنها از وسایل مجزا در سطح وسیع ساخته شده از نیمه رسانای باند پهن مانند نیترید گالیم استفاده کردند. چگالی قدرت این دستگاهها در چند سال گذشته به شدت افزایش یافته است ، به این معنی که آنها باید" ؛ به رادیاتور غول پیکر متصل شوند ،"؛ متولی گفت.
اخیراً ، ماژول های الکترونیک قدرت از طریق سیستم های خنک کننده صفحه سرد یا میکروکانال به خنک کننده مایع تغییر کرده اند. اما ، تا کنون ، تمام سیستم های خنک کننده میکروکانال به طور جداگانه تولید شده و سپس با تراشه ترکیب شده اند. لایه اتصال ، مقاومت در برابر حرارت را افزایش می دهد ، کانال ها و تجهیزات مدار محکم تراز نشده اند.
& quot؛ ما آن را به سطح بعدی بردیم ،"؛ ماتولی می گوید ، با ساخت دستگاه ها و کانال های خنک کننده در یک تراشه. آنها ترک هایی به عرض میکرون در لایه ای از نیترید گالیم که روی یک لایه سیلیکونی پوشانده شده بود ، حک کردند. طول شکاف 30μm ، عمق 115μm. آنها با استفاده از تکنیک های خاص حکاکی گاز ، شکاف ها را در بستر سیلیکون بزرگ کرده و کانال هایی را ایجاد می کنند که مایع خنک کننده مایع از آنها عبور می کند.
سپس محققان از مس برای بستن دهانه های کوچک در لایه های نیترید گالیم و ساختن وسایلی بر روی آنها استفاده کردند."؛ ما فقط میکروکانال هایی در نواحی کوچک ویفر داریم که با هر ترانزیستور در تماس هستند ،"؛ او گفت. این باعث می شود این فناوری بسیار م effectiveثرتر باشد زیرا می توانیم گرمای زیادی را از اطراف خارج کنیم ، اما قدرت پمپاژ مورد استفاده ما بسیار کم است."؛
به عنوان یک نمایش ، محققان یک مدار یکسو کننده AC-DC متشکل از چهار دیود Schottky ایجاد کردند که هر کدام قادر به کنترل ولتاژ 1.2 کیلوولت بودند. مدارهایی مانند این معمولاً به رادیاتور با اندازه مشت نیاز دارند. اما تراشه مدار با سیستم خنک کننده مایع بر روی برد مدار چاپی به اندازه یک درایو فلش USB نصب شده است. برد مدار از سه لایه تشکیل شده که کانال هایی در آن حک شده اند تا مایع خنک کننده را به تراشه منتقل کنند.
صفحه نمایش نشان می دهد که نقاط داغ با چگالی توان بیش از 1700 وات بر سانتی متر مربع را می توان با استفاده از تنها 0.57 وات بر سانتی متر مربع قدرت پمپاژ خنک کرد. این نسبت به خنک کننده کانال میکروسیالی که قبلاً گزارش شده بود ، 50 برابر در عملکرد بهبود یافته است.
& quot؛ قابلیت اطمینان فیلم های نیترید گالیم و مهر و موم مس باید در طول زمان مورد مطالعه قرار گیرد. اما این راه حل خنک کننده نوآورانه گامی بزرگ در جهت یک سیستم خنک کننده کم هزینه ، فوق العاده جمع و جور و کم مصرف با انرژی است.