Hoy en día, el calor generado por equipos electrónicos densos es un consumo de recursos costoso. Con el fin de mantener el sistema a la temperatura adecuada para un rendimiento informático óptimo, el sistema de enfriamiento en los Estados Unidos consume tanta energía y agua como todos los residentes de Filadelfia. Ahora, al integrar el canal de refrigeración líquida directamente en el chip semiconductor, los investigadores esperan al menos reducir esta pérdida en los equipos electrónicos de potencia, haciéndolos más pequeños, de menor costo y menor consumo de energía.
Tradicionalmente, los dispositivos electrónicos y los sistemas de gestión térmica se diseñan y fabrican por separado, dice Elison Matioli, profesor de ingeniería eléctrica en el Instituto de Tecnología Ecole en Lausana, Suiza. Esto trae un obstáculo fundamental para mejorar la eficiencia de enfriamiento, porque el calor debe viajar una distancia relativamente larga en múltiples materiales para ser eliminado. Por ejemplo, en los procesadores actuales, los sifones de material térmico transfieren calor del chip al voluminoso disipador de calor de cobre enfriado por aire.
Para obtener una solución más eficiente energéticamente, Matioli y sus colegas desarrollaron un proceso de bajo costo que coloca la red 3D de canales de enfriamiento microfluídico directamente en el chip semiconductor. El líquido puede eliminar el calor mejor que el aire. La idea es mantener el micrómetro de refrigerante alejado de los puntos calientes del chip.
Pero a diferencia de la tecnología de enfriamiento microfluídico reportada anteriormente, dijo: "Diseñamos dispositivos electrónicos y sistemas de enfriamiento desde el principio". Por lo tanto, el microcanal se encuentra debajo del área activa de cada dispositivo transistor, donde su temperatura es la más alta, lo que aumenta el rendimiento de enfriamiento en 50 veces. Informaron sobre su concepto de diseño común en la reciente revista "Nature".
Los investigadores han propuesto la tecnología de enfriamiento de microcanales ya en 1981, y las empresas de nueva creación como Cooligy también han estado persiguiendo el concepto de procesadores. Sin embargo, la industria de semiconductores está cambiando de dispositivos planos a dispositivos tridimensionales, y se está moviendo hacia futuros chips con estructuras multicapa, lo que hace que los canales de enfriamiento sean poco prácticos. "Este tipo de solución de enfriamiento integrado no es adecuado para procesadores y chips modernos, como las CPU", dijo Tiwei Wei, quien estudia soluciones de enfriamiento electrónico en el Centro Interuniversitario de Microelectrónica y KU Luuven en Bélgica. "Por el contrario, este tipo de tecnología de enfriamiento tiene más sentido para la electrónica de potencia", dijo.
Los circuitos electrónicos de potencia administran y convierten la energía eléctrica, que se utilizan ampliamente en campos como computadoras, centros de datos, paneles solares y vehículos eléctricos. Utilizaron dispositivos discretos de área grande hechos de semiconductores de banda ancha como el nitruro de galio. La densidad de potencia de estos dispositivos ha aumentado considerablemente en los últimos años, lo que significa que deben estar "conectados con un enorme disipador de calor", dijo Matoli.
Recientemente, los módulos electrónicos de potencia han recurrido a la refrigeración líquida, ya sea a través de placas frías o sistemas de refrigeración de microcanales. Sin embargo, hasta la fecha, todos los sistemas de enfriamiento de microcanal se han fabricado por separado y luego se han combinado con chips. La capa de unión aumenta la resistencia al calor, y el canal y el dispositivo de circuito no están estrechamente alineados.
"Lo llevamos al siguiente nivel", dijo Matoli, fabricando equipos y canales de enfriamiento en el mismo chip. Grabaron grietas de micras de ancho en la capa de nitruro de galio recubierta sobre el sustrato de silicio. La hendidura tiene 30 μm de largo y 115 μm de profundidad. Utilizando tecnología especial de grabado de gas, amplían el espacio en el sustrato de silicio para formar un canal a través del cual pasa el refrigerante líquido.
Luego, los investigadores usaron cobre para sellar las pequeñas aberturas en la capa de nitruro de galio y fabricaron dispositivos en ella. Dijo: "Solo tenemos microcanales en pequeñas áreas de la oblea, y estos microcanales están en contacto con cada transistor. Esto hace que esta tecnología sea más efectiva porque podemos extraer mucho calor de las cercanías, pero el bombeo que usamos La potencia es muy pequeña ".
Como demostración, los investigadores hicieron un circuito rectificador AC-DC compuesto por cuatro diodos Schottky. Cada diodo puede manejar 1.2kV. Un circuito como este generalmente requiere un disipador de calor del tamaño de un puño. Pero el chip de circuito integrado con el sistema de refrigeración líquida está montado en una placa de circuito impreso del tamaño de una unidad flash USB. La placa de circuito consta de tres capas con canales grabados en ella para entregar el líquido refrigerante al chip.
La pantalla muestra que los puntos calientes con una densidad de potencia de más de 1700 W/cm² pueden enfriarse con solo 0,57 W/cm² de potencia de bombeo. En comparación con el enfriamiento del canal microfluídico reportado anteriormente, el rendimiento se mejora en 50 veces.
Wei dijo: "La confiabilidad de la película de nitruro de galio y la capa de sellado de cobre deben estudiarse con el tiempo. Pero esta innovadora solución de enfriamiento es un paso hacia un "sistema de enfriamiento electrónico de energía de bajo costo, ultracompacto y que ahorra energía". Un gran paso adelante".