I dag er varmen generert av tett elektronisk utstyr et dyrt ressursforbruk. For å holde systemet ved riktig temperatur for optimal databehandlingsytelse, bruker kjølesystemet i USA like mye energi og vann som alle innbyggere i Philadelphia. Nå, ved å integrere væskekjølekanalen direkte i halvlederbrikken, håper forskerne i det minste å redusere dette tapet i kraftelektronisk utstyr, noe som gjør det mindre, lavere kostnader og lavere energiforbruk.
Tradisjonelt er elektroniske enheter og termiske styringssystemer designet og produsert separat, sier Elison Matioli, professor i elektroteknikk ved Ecole Institute of Technology i Lausanne, Sveits. Dette gir et grunnleggende hinder for å forbedre kjøleeffektiviteten, fordi varme må reise en relativt lang avstand i flere materialer som skal fjernes. For eksempel, i dagens prosessorer, overfører termisk materiale sifoner varme fra brikken til den store luftkjølte kobbervarmeavlederen.
For å oppnå en mer energieffektiv løsning utviklet Matioli og kollegene hans en rimelig prosess som setter 3D-nettverket av mikrofluidiske kjølekanaler direkte inn i halvlederbrikken. Væske kan fjerne varme bedre enn luft. Tanken er å holde kjølevæskemikrometeret borte fra sjetongens hot spots.
Men i motsetning til den tidligere rapporterte mikrofluidiske kjøleteknologien, sa han: "Vi designer elektroniske enheter og kjølesystemer fra begynnelsen." Derfor er mikrokanal plassert under det aktive området til hver transistorenhet, hvor temperaturen Den høyeste, noe som øker kjøleytelsen med 50 ganger. De rapporterte sitt felles designkonsept i det nylige "Nature" -magasinet.
Forskere har foreslått mikrokanalkjøleteknologi allerede i 1981, og oppstartsselskaper som Cooligy har også fulgt konseptet prosessorer. Imidlertid skifter halvlederindustrien fra planare enheter til tredimensjonale enheter, og beveger seg mot fremtidige sjetonger med flerlagsstrukturer, noe som gjør kjølekanaler upraktiske. "Denne typen innebygd kjøleløsning er ikke egnet for moderne prosessorer og sjetonger, for eksempel CPUer," sa Tiwei Wei, som studerer elektroniske kjøleløsninger ved Interuniversity Microelectronics Center og KU Luuven i Belgia. «Tvert imot gir denne typen kjøleteknologi mest mening for kraftelektronikk», sier han.
Strømelektroniske kretser administrerer og konverterer elektrisk energi, som er mye brukt i felt som datamaskiner, datasentre, solcellepaneler og elektriske kjøretøy. De brukte diskrete enheter i stor område laget av bredbånds halvledere som galliumnitrid. Krafttettheten til disse enhetene har steget kraftig de siste årene, noe som betyr at de må "kobles opp med en stor kjøleribbe", sa Matoli.
Nylig har kraftelektroniske moduler blitt til flytende kjøling, enten gjennom kaldplater eller mikrokanalkjølesystemer. Til dags dato har imidlertid alle mikrokanalkjølesystemer blitt produsert separat og deretter kombinert med sjetonger. Bindingslaget øker varmebestandigheten, og kanalen og kretsenheten er ikke tett justert.
"Vi tok det til neste nivå," sa Matoli, ved å produsere utstyr og kjølekanaler i samme brikke. De etset mikron-brede sprekker i galliumnitrittlaget belagt på silisiumsubstratet. Spalten er 30μm lang og 115μm dyp. Ved hjelp av spesiell gassetsingsteknologi utvider de gapet på silisiumsubstratet for å danne en kanal gjennom hvilken væskekjølevæsken passerer.
Deretter brukte forskerne kobber for å forsegle de små åpningene i galliumnitrittlaget og fabrikkerte enheter på den. Han sa: "Vi har bare mikrokanoner i små områder av skiven, og disse mikrokanalene har kontakt med hver transistor. Dette gjør denne teknologien mer effektiv fordi vi kan trekke ut mye varme fra nærliggende, men pumpingen vi bruker Kraften er veldig liten.
Som en demonstrasjon laget forskerne en AC-DC likeretterkrets sammensatt av fire Schottky-dioder, hver diode kan håndtere en spenning på 1,2 kV, en krets som dette krever vanligvis en knyttnevestørrelse kjøleribbe. Men kretsbrikken integrert med væskekjølesystemet er montert på et kretskort på størrelse med en USB-flash-stasjon. Kretskortet består av tre lag med kanaler gravert på det for å levere kjølevæsken til brikken.
Displayet viser at hot spots med en effekttetthet på mer enn 1700 W/cm² kan avkjøles med bare 0,57 W/cm² pumpeeffekt. Sammenlignet med den tidligere rapporterte mikrofluidiske kanalkjølingen, forbedres ytelsen med 50 ganger.
Wei sa: "Påliteligheten til galliumnitrittfilm og kobberforseglingslag bør studeres over tid. Men denne innovative kjøleløsningen er et skritt mot et "rimelig, ultrakompakt og energibesparende elektronisk kjølesystem for kraft." Et stort skritt fremover."
Hvis du er interessert i produktene våre, kan du gå tilwww.hkram.comfor å ha mer informasjon.