Tegenwoordig is de warmte die wordt gegenereerd door dichte elektronische apparatuur een duur verbruik van hulpbronnen. Om het systeem op de juiste temperatuur te houden voor optimale computerprestaties, verbruikt het koelsysteem in de Verenigde Staten evenveel energie en water als alle inwoners van Philadelphia. Door nu het vloeistofkoelkanaal rechtstreeks in de halfgeleiderchip te integreren, hopen onderzoekers dit verlies in vermogenselektronica op zijn minst te verminderen, waardoor het kleiner, goedkoper en lager energieverbruik wordt.
Traditioneel worden elektronische apparaten en thermische beheersystemen afzonderlijk ontworpen en geproduceerd, zegt Elison Matioli, hoogleraar elektrotechniek aan het Ecole Institute of Technology in Lausanne, Zwitserland. Dit vormt een fundamenteel obstakel voor het verbeteren van de koelingsefficiëntie, omdat warmte een relatief lange afstand moet afleggen in meerdere materialen om te worden verwijderd. In de huidige processors van' dragen thermische materiaalsifons bijvoorbeeld warmte van de chip over naar het omvangrijke luchtgekoelde koperen koellichaam.
Om een meer energie-efficiënte oplossing te verkrijgen, ontwikkelden Matioli en zijn collega's een goedkoop proces dat het 3D-netwerk van microfluïdische koelkanalen rechtstreeks in de halfgeleiderchip plaatst. Vloeistof kan warmte beter afvoeren dan lucht. Het idee is om de koelmiddelmicrometer uit de buurt van de hotspots van de chip te houden.
Maar in tegenstelling tot de eerder gerapporteerde microfluïdische koeltechnologie, zei hij:"We ontwerpen elektronische apparaten en koelsystemen vanaf het begin." Daarom bevindt het microkanaal zich onder het actieve gebied van elk transistorapparaat, waar de temperatuur het hoogst is, wat de koelprestaties met 50 keer verhoogt. Ze rapporteerden hun gemeenschappelijke ontwerpconcept in het recente"Nature" tijdschrift.
Onderzoekers hebben al in 1981 microkanaal-koelingstechnologie voorgesteld, en startende bedrijven zoals Cooligy hebben ook het concept van processors nagestreefd. De halfgeleiderindustrie verschuift echter van vlakke apparaten naar driedimensionale apparaten en evolueert naar toekomstige chips met meerlaagse structuren, waardoor koelkanalen onpraktisch zijn."Dit soort embedded koeloplossing is niet geschikt voor moderne processors en chips, zoals CPU's," zei Tiwei Wei, die elektronische koeloplossingen bestudeert aan het Interuniversitair Micro-elektronicacentrum en de KU Luuven in België."Integendeel, dit soort koeltechnologie is het meest logisch voor vermogenselektronica," hij zei.
Vermogenselektronische circuits beheren en converteren elektrische energie, die veel wordt gebruikt in gebieden zoals computers, datacenters, zonnepanelen en elektrische voertuigen. Ze gebruikten discrete apparaten met een groot oppervlak gemaakt van halfgeleiders met een brede bandgap, zoals galliumnitride. De vermogensdichtheid van deze apparaten is de afgelopen jaren sterk gestegen, wat betekent dat ze moeten worden aangesloten op een enorm koellichaam," zei Matoli.
Onlangs zijn vermogenselektronicamodules overgegaan op vloeistofkoeling, of het nu gaat om koude platen of microkanaalkoelsystemen. Tot op heden zijn echter alle microkanaalkoelsystemen afzonderlijk vervaardigd en vervolgens gecombineerd met chips. De hechtlaag verhoogt de hittebestendigheid en het kanaal en het circuitapparaat zijn niet nauw uitgelijnd.
GG quot;We hebben het naar een hoger niveau getild," Matoli zei, door apparatuur en koelkanalen in dezelfde chip te vervaardigen. Ze etsten micronbrede scheuren in de galliumnitridelaag die op het siliciumsubstraat was aangebracht. De spleet is 30μm lang en 115μm diep. Met behulp van speciale gasetstechnologie vergroten ze de opening op het siliciumsubstraat om een kanaal te vormen waardoor de vloeibare koelvloeistof passeert.
Vervolgens gebruikten de onderzoekers koper om de kleine openingen in de galliumnitridelaag af te dichten en maakten er apparaten op. Hij zei:"We hebben alleen microkanalen in kleine delen van de wafer, en deze microkanalen hebben contact met elke transistor. Dit maakt deze technologie effectiever omdat we veel warmte uit de buurt kunnen halen, maar het pompen dat we gebruiken Het vermogen is erg klein."
Als demonstratie maakten de onderzoekers een AC-DC-gelijkrichterschakeling bestaande uit vier Schottky-diodes, elke diode kan een spanning van 1,2 kV aan, een schakeling als deze vereist meestal een koellichaam ter grootte van een vuist. Maar de circuitchip die in het vloeistofkoelsysteem is geïntegreerd, is gemonteerd op een printplaat ter grootte van een USB-flashstation. De printplaat bestaat uit drie lagen met daarin gegraveerde kanalen om de koelvloeistof naar de chip te brengen.
Het display laat zien dat hotspots met een vermogensdichtheid van meer dan 1700 W/cm² met slechts 0,57 W/cm² pompvermogen kunnen worden gekoeld. Vergeleken met de eerder gerapporteerde microfluïdische kanaalkoeling is de prestatie 50 keer verbeterd.
Wei zei:"De betrouwbaarheid van galliumnitridefilm en koperen afdichtingslaag moet in de loop van de tijd worden bestudeerd. Maar deze innovatieve koeloplossing is een stap in de richting van een"goedkoop, ultracompact en energiebesparend vermogenselektronisch koelsysteem." Een grote stap voorwaarts."
Als u geïnteresseerd bent in onze producten, bezoek dan:www.hkram.commeer informatie te hebben.