Günümüzde yoğun elektronik ekipmanların ürettiği ısı, pahalı bir kaynak tüketimidir. Sistemi optimum bilgi işlem performansı için doğru sıcaklıkta tutmak için Amerika Birleşik Devletleri'ndeki soğutma sistemi, Philadelphia'daki tüm sakinler kadar enerji ve su tüketir. Şimdi, sıvı soğutma kanalını doğrudan yarı iletken çipe entegre ederek, araştırmacılar en azından güç elektroniği ekipmanındaki bu kaybı azaltmayı, böylece daha küçük, daha düşük maliyetli ve daha düşük enerji tüketimi yapmayı umuyorlar.
İsviçre, Lozan'daki Ecole Institute of Technology'de elektrik mühendisliği profesörü olan Elison Matioli, geleneksel olarak elektronik cihazların ve termal yönetim sistemlerinin ayrı ayrı tasarlanıp üretildiğini söylüyor. Bu, soğutma verimliliğini artırmanın önünde temel bir engel oluşturur, çünkü ısı, uzaklaştırılacak birden fazla malzemede nispeten uzun bir mesafe kat etmelidir. Örneğin, günümüzün's işlemcilerinde, termal malzeme sifonları ısıyı çipten hava soğutmalı büyük bakır soğutucuya aktarır.
Daha enerji verimli bir çözüm elde etmek için Matioli ve meslektaşları, 3D mikroakışkan soğutma kanallarını doğrudan yarı iletken çipe yerleştiren düşük maliyetli bir süreç geliştirdiler. Sıvı, ısıyı havadan daha iyi çıkarabilir. Buradaki fikir, soğutucu mikrometreyi çipin sıcak noktalarından uzak tutmaktır.
Ancak daha önce bildirilen mikroakışkan soğutma teknolojisinin aksine, “Elektronik cihazları ve soğutma sistemlerini en başından tasarlıyoruz” dedi. Bu nedenle, mikro kanal, her bir transistör cihazının, sıcaklığının en yüksek olduğu, soğutma performansını 50 kat artıran aktif alanının altında bulunur. Ortak tasarım konseptlerini yakın zamanda yayınlanan&"Nature" dergi.
Araştırmacılar, 1981 gibi erken bir tarihte mikro kanallı soğutma teknolojisini önerdiler ve Cooligy gibi yeni kurulan şirketler de işlemci kavramını takip ediyorlardı. Bununla birlikte, yarı iletken endüstrisi, düzlemsel cihazlardan üç boyutlu cihazlara geçiyor ve soğutma kanallarını pratik olmayan hale getiren çok katmanlı yapılara sahip geleceğin yongalarına doğru ilerliyor."Bu tür gömülü soğutma çözümü, CPU'lar," gibi modern işlemciler ve yongalar için uygun değildir; Belçika'daki Üniversiteler Arası Mikroelektronik Merkezi ve KU Luuven'de elektronik soğutma çözümleri üzerinde çalışan Tiwei Wei."Aksine, bu tür bir soğutma teknolojisi güç elektroniği için en mantıklısı," dedi.
Güç elektroniği devreleri, bilgisayarlar, veri merkezleri, güneş panelleri, elektrikli araçlar gibi alanlarda yaygın olarak kullanılan elektrik enerjisini yönetir ve dönüştürür. Galyum nitrür gibi geniş bant aralıklı yarı iletkenlerden yapılmış geniş alanlı ayrı cihazlar kullandılar. Bu cihazların güç yoğunluğu son birkaç yılda keskin bir şekilde arttı, bu da onların"büyük bir soğutucu," dedi Matoli.
Son zamanlarda, güç elektroniği modülleri, ister soğuk plakalar ister mikro kanallı soğutma sistemleri ile sıvı soğutmaya yöneldi. Ancak bugüne kadar tüm mikro kanallı soğutma sistemleri ayrı ayrı üretilip daha sonra çiplerle birleştirildi. Bağlayıcı katman, ısı direncini arttırır ve kanal ile devre cihazı yakından hizalanmaz.
& quot;Bir sonraki seviyeye taşıdık," Matoli, aynı çipte ekipman ve soğutma kanalları üreterek dedi. Silikon substrat üzerine kaplanmış galyum nitrür tabakasında mikron genişliğinde çatlaklar oluşturdular. Yarık 30μm uzunluğunda ve 115μm derinliğindedir. Özel gaz aşındırma teknolojisini kullanarak, sıvı soğutucunun içinden geçtiği bir kanal oluşturmak için silikon substrat üzerindeki boşluğu genişletirler.
Daha sonra araştırmacılar, galyum nitrür tabakasındaki küçük açıklıkları kapatmak için bakır kullandılar ve bunun üzerinde fabrikasyon cihazlar yaptılar. Dedi ki:&"Yalnızca gofretin küçük alanlarında mikrokanallarımız var ve bu mikrokanallar her transistörle temas halinde. Bu, bu teknolojiyi daha etkili hale getirir çünkü yakınlardan çok fazla ısı çekebiliriz, ancak kullandığımız pompalama Güç çok küçüktür.&alıntı;
Bir gösteri olarak, araştırmacılar dört Schottky diyottan oluşan bir AC-DC doğrultucu devresi yaptılar. Her diyot 1.2kV işleyebilir. Bunun gibi bir devre genellikle yumruk büyüklüğünde bir ısı emici gerektirir. Ancak sıvı soğutma sistemiyle entegre devre yongası, USB flash sürücü boyutunda bir baskılı devre kartına monte edilmiştir. Devre kartı, soğutma sıvısını çipe iletmek için üzerine oyulmuş kanallar bulunan üç katmandan oluşur.
Ekran, 1700 W/cm²'den fazla güç yoğunluğuna sahip sıcak noktaların sadece 0,57 W/cm² pompalama gücü ile soğutulabileceğini gösteriyor. Daha önce bildirilen mikroakışkan kanal soğutması ile karşılaştırıldığında, performans 50 kat arttı.
Wei dedi ki,&"Galyum nitrür film ve bakır sızdırmazlık tabakasının güvenilirliği zamanla araştırılmalıdır. Ancak bu yenilikçi soğutma çözümü,&"düşük maliyetli, ultra kompakt ve enerji tasarruflu güç elektroniği soğutma sistemine doğru atılmış bir adımdır.&alıntı; İleriye doğru büyük bir adım.&alıntı;