Oggi, il calore dell'elettronica densa è una risorsa costosa. Per mantenere il sistema alla giusta temperatura per prestazioni computazionali ottimali, il sistema di raffreddamento del data center degli Stati Uniti consuma tanta energia e acqua quanto tutti i residenti di Filadelfia. Ora, integrando i canali di raffreddamento a liquido direttamente nei chip semiconduttori, i ricercatori sperano di ridurre questa perdita almeno nell'elettronica di potenza, rendendoli più piccoli, più economici e meno energivori.
Tradizionalmente, i dispositivi elettronici e i sistemi di gestione termica sono stati progettati e realizzati separatamente, afferma Elison Matioli, professore di ingegneria elettrica presso l'ecole Polytechnique di Losanna, in Svizzera. Ciò rappresenta una barriera fondamentale per una migliore efficienza di raffreddamento, poiché il calore deve percorrere distanze relativamente lunghe attraverso più materiali prima di poter essere rimosso. Negli odierni processori's, ad esempio, i sifoni di materiale caldo trasferiscono il calore dal chip alle ingombranti alette di rame raffreddate ad aria.
Per una soluzione più efficiente dal punto di vista energetico, Matioli e i suoi colleghi hanno sviluppato un processo a basso costo che inserisce una rete 3D di canali di raffreddamento microfluidici direttamente nel chip semiconduttore. Il liquido rimuove il calore meglio dell'aria e l'idea è di mantenere il micrometro del refrigerante lontano dal punto caldo sul chip.
Ma a differenza del raffreddamento microfluidico riportato in precedenza, ha detto,"Progettiamo l'elettronica e il sistema di raffreddamento dall'inizio." Pertanto, il microcanale si trova appena sotto la regione attiva di ciascun dispositivo a transistor, dove si trova alla sua temperatura più alta, il che aumenta le prestazioni di raffreddamento di un fattore 50. Hanno riportato il loro concetto di progettazione congiunta in un recente numero di Nature.
I ricercatori hanno proposto la tecnologia di raffreddamento a microcanali già nel 1981 e startup come Cooligy hanno perseguito l'idea dei processori per anni. Ma l'industria dei semiconduttori si sta spostando da dispositivi planari a dispositivi tridimensionali e verso futuri chip con strutture multistrato, rendendo impraticabili i canali di raffreddamento."Questa soluzione di raffreddamento integrata non è adatta per processori e chip moderni come CPU," ha affermato TiweiWei, che ricerca soluzioni di raffreddamento elettronico presso l'Interuniversity Microelectronics Center e KU Luuven in Belgio."Invece, questa 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 e sono ampiamente utilizzati in 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 salita alle stelle negli ultimi anni, il che significa che devono essere"collegati a un radiatore gigante," disse Matoli.
Più di recente, i moduli dell'elettronica di potenza sono passati al raffreddamento a liquido, tramite sistemi di raffreddamento a piastra fredda o a microcanali. Ma, fino ad ora, tutti i sistemi di raffreddamento a microcanali sono stati prodotti separatamente e poi combinati con il chip. Lo strato adesivo aggiunge resistenza al calore, i canali e le apparecchiature del circuito non sono strettamente allineati.
& quot;L'abbiamo portato al livello successivo," Dice Matoli, realizzando dispositivi e canali di raffreddamento nello stesso chip. Hanno inciso crepe larghe micron in uno strato di nitruro di gallio rivestito su un substrato di silicio. Lunghezza della fessura 30μm, profonda 115μm. Usando speciali tecniche di incisione con gas, allargano gli spazi nel substrato di silicio per formare canali attraverso i quali passa il liquido di raffreddamento.
I ricercatori hanno quindi utilizzato il rame per sigillare piccole aperture negli strati di nitruro di gallio e costruire dispositivi su di esse."Abbiamo solo microcanali in piccole aree del wafer che sono in contatto con ciascun transistor," Egli ha detto. Questo rende la tecnologia molto più efficace perché possiamo estrarre molto calore dalle vicinanze, ma la potenza di pompaggio che usiamo è molto piccola."
Come dimostrazione, i ricercatori hanno costruito un circuito raddrizzatore AC-DC composto da quattro diodi Schottky, ciascuno in grado di gestire 1,2 kV di tensione. Circuiti come questi in genere richiedono un radiatore delle dimensioni di un pugno. Ma il chip del circuito 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 canali scavati al suo interno per fornire il refrigerante al chip.
Il display mostra che i punti caldi con una densità di potenza di oltre 1.700 watt per centimetro quadrato possono essere raffreddati utilizzando solo 0,57 watt per centimetro quadrato di potenza di pompaggio. Si tratta di un miglioramento di 50 volte delle prestazioni rispetto al raffreddamento del canale microfluidico precedentemente riportato.
& quot;L'affidabilità dei film di nitruro di gallio e delle guarnizioni in rame dovrebbe essere studiata nel tempo. Ma questa soluzione di raffreddamento innovativa è un grande passo avanti verso un sistema di raffreddamento dell'elettronica di potenza a basso costo, ultracompatto ed efficiente dal punto di vista energetico.