Al giorno d'oggi, il calore generato da apparecchiature elettroniche ad alta densità è un costoso consumo di risorse. Al fine di mantenere il sistema alla giusta temperatura per prestazioni di elaborazione ottimali, il sistema di raffreddamento negli Stati Uniti consuma tanta energia e acqua quanto tutti i residenti di Filadelfia. Ora, integrando il canale di raffreddamento a liquido direttamente nel chip semiconduttore, i ricercatori sperano di ridurre almeno questa perdita nelle apparecchiature elettroniche di potenza, rendendole più piccole, più economiche e con un minor consumo di energia.
Tradizionalmente, i dispositivi elettronici e i sistemi di gestione termica sono progettati e prodotti separatamente, afferma Elison Matioli, professore di ingegneria elettrica presso l'Ecole Institute of Technology di Losanna, in Svizzera. Ciò comporta un ostacolo fondamentale al miglioramento dell'efficienza di raffreddamento, poiché il calore deve percorrere una distanza relativamente lunga in più materiali per essere rimosso. Ad esempio, negli odierni processori's, i sifoni di materiale termico trasferiscono il calore dal chip all'ingombrante dissipatore di calore in rame raffreddato ad aria.
Per ottenere una soluzione più efficiente dal punto di vista energetico, Matioli e i suoi colleghi hanno sviluppato un processo a basso costo che inserisce la rete 3D di canali di raffreddamento microfluidici direttamente nel chip semiconduttore. Il liquido può rimuovere il calore meglio dell'aria. L'idea è quella di mantenere il micrometro del refrigerante lontano dai punti caldi del truciolo.
Ma a differenza della tecnologia di raffreddamento microfluidica precedentemente riportata, ha affermato:"Progettiamo dispositivi elettronici e sistemi di raffreddamento fin dall'inizio." Pertanto, il microcanale si trova al di sotto dell'area attiva di ciascun dispositivo a transistor, dove la sua temperatura è la più alta, il che aumenta le prestazioni di raffreddamento di 50 volte. Hanno riportato il loro concetto di design comune nel recente"Nature" rivista.
I ricercatori hanno proposto la tecnologia di raffreddamento a microcanali già nel 1981 e anche le start-up come Cooligy hanno perseguito il concetto di processori. Tuttavia, l'industria dei semiconduttori si sta spostando da dispositivi planari a dispositivi tridimensionali e si sta muovendo verso i futuri chip con strutture multistrato, il che rende impraticabili i canali di raffreddamento."Questo tipo di soluzione di raffreddamento integrata non è adatta per processori e chip moderni, come CPU," ha affermato Tiwei Wei, che studia soluzioni di raffreddamento elettronico presso l'Interuniversity Microelectronics Center e KU Luuven in Belgio."Al contrario, questo tipo di tecnologia di raffreddamento ha più senso per l'elettronica di potenza," Egli ha detto.
I circuiti elettronici di potenza gestiscono e convertono l'energia elettrica, ampiamente utilizzata in settori quali computer, data center, pannelli solari e veicoli elettrici. Hanno utilizzato dispositivi discreti di ampia area realizzati con semiconduttori a banda larga come il nitruro di gallio. La densità di potenza di questi dispositivi è aumentata notevolmente negli ultimi anni, il che significa che devono essere"collegati a un enorme dissipatore di calore," disse Matoli.
Recentemente, i moduli elettronici di potenza sono passati al raffreddamento a liquido, sia attraverso piastre fredde che sistemi di raffreddamento a microcanali. Tuttavia, ad oggi, tutti i sistemi di raffreddamento a microcanali sono stati prodotti separatamente e quindi combinati con chip. Lo strato adesivo aumenta la resistenza al calore e il canale e il dispositivo del circuito non sono strettamente allineati.
GG quot;L'abbiamo portato al livello successivo," Matoli ha detto, producendo apparecchiature e canali di raffreddamento nello stesso chip. Hanno inciso crepe larghe micron nello strato di nitruro di gallio rivestito sul substrato di silicio. La fessura è lunga 30 μm e profonda 115 μm. Utilizzando una speciale tecnologia di incisione a gas, allargano il divario sul substrato di silicio per formare un canale attraverso il quale passa il liquido di raffreddamento.
Quindi, i ricercatori hanno usato il rame per sigillare le minuscole aperture nello strato di nitruro di gallio e hanno fabbricato dei dispositivi su di esso. Ha detto:"Abbiamo solo microcanali in piccole aree del wafer, e questi microcanali sono in contatto con ogni transistor. Questo rende questa tecnologia più efficace perché possiamo estrarre molto calore dalle vicinanze, ma il pompaggio che usiamo La potenza è molto piccola."
Come dimostrazione, i ricercatori hanno realizzato un circuito raddrizzatore AC-DC composto da quattro diodi Schottky, ogni diodo può gestire una tensione di 1,2 kV, un circuito come questo di solito richiede un dissipatore di calore delle dimensioni di un pugno. Ma il chip del circuito integrato con il sistema di raffreddamento a liquido è montato su un circuito stampato delle dimensioni di un'unità flash USB. Il circuito è costituito da tre strati con incisi i canali per fornire il liquido di raffreddamento al chip.
Il display mostra che i punti caldi con una densità di potenza superiore a 1700 W/cm² possono essere raffreddati con una potenza di pompaggio di soli 0,57 W/cm². Rispetto al raffreddamento del canale microfluidico precedentemente riportato, le prestazioni sono migliorate di 50 volte.
Wei ha detto,"L'affidabilità del film di nitruro di gallio e dello strato di tenuta in rame dovrebbe essere studiata nel tempo. Ma questa soluzione di raffreddamento innovativa è un passo avanti verso un sistema di raffreddamento elettronico di potenza"a basso costo, ultracompatto e a risparmio energetico." Un grande passo avanti."
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