Bugün, yoğun elektronikten gelen ısı pahalı bir kaynaktır. En iyi hesaplama performansı için sistemi doğru sıcaklıkta tutmak için, ABD veri merkezi soğutma sistemi tüm Philadelphia sakinleri kadar enerji ve su tüketir. Şimdi, sıvı soğutma kanallarını doğrudan yarı iletken çiplere entegre ederek, araştırmacılar bu kaybı en azından güç elektroniğinde azaltmayı ve daha küçük, daha ucuz ve daha az enerji yoğun hale getirmeyi umuyorlar.
İsviçre'nin Lozan kentindeki Ecole Polytechnique'de elektrik mühendisliği profesörü olan Elison Matioli, geleneksel olarak elektronik cihazların ve termal yönetim sistemlerinin ayrı ayrı tasarlanıp üretildiğini söylüyor. Bu, gelişmiş soğutma verimliliği için temel bir engel sunar, çünkü ısının çıkarılmadan önce birden fazla malzeme arasında nispeten uzun mesafeler kat etmesi gerekir. Günümüzün işlemcilerinde, örneğin, sıcak malzeme sifonları ısıyı çipten hacimli, hava soğutmalı bakır yüzgeçlere aktarır.
Matioli ve meslektaşları, daha enerji verimli bir çözüm için, mikroakışkan soğutma kanallarından oluşan 3D bir ağı doğrudan yarı iletken çipe yerleştiren düşük maliyetli bir süreç geliştirdiler. Sıvı ısıyı havadan daha iyi temizler ve fikir soğutucu mikrometreyi talaş üzerindeki sıcak noktadan uzak tutmaktır.
Ancak daha önce bildirilen mikroakışkan soğutmanın aksine, "Elektronik ve soğutma sistemini en baştan tasarlıyoruz" dedi. Böylece, mikrokanal, her transistör cihazının aktif bölgesinin hemen altında bulunur ve en yüksek sıcaklığındadır ve bu da soğutma performansını 50 kat arttırır. Ortak tasarım konseptlerini yakın tarihli bir doğa sayısında bildirdiler.
Araştırmacılar 1981'in başlarında mikrokanel soğutma teknolojisini önerdiler ve Cooligy gibi startup'lar yıllardır işlemci fikrini takip ediyor. Ancak yarı iletken endüstrisi düzlemsel cihazlardan üç boyutlu cihazlara ve çok katmanlı yapılara sahip gelecekteki yongalara doğru ilerleyerek soğutma kanallarını pratik hale getiriyor. Belçika'daki Interuniversity Microelectronics Center ve KU Luuven'de elektronik soğutma çözümlerini araştıran TiweiWei, "Bu gömülü soğutma çözümü, işlemciler gibi modern işlemciler ve yongalar için uygun değil" dedi. "Bunun yerine, bu soğutma teknolojisi güç elektroniği için en mantıklı olanıdır." dedi.
Güç elektronik devreleri elektrik enerjisini yönetir ve dönüştürür ve bilgisayarlarda, veri merkezlerinde, güneş panellerinde ve elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılır. Galyum nitrür gibi geniş bandgap yarı iletkenlerden yapılmış geniş alanlı ayrık cihazlar kullandılar. Matoli, bu cihazların güç yoğunluğunun son birkaç yılda tavan yaptığını, bunun da "dev bir radyatöre bağlanmaları" gerektiği anlamına geldiğini söyledi.
Daha yakın zamanda, güç elektroniği modülleri soğuk plaka veya mikro kanal soğutma sistemleri aracılığıyla sıvı soğutmaya kaymıştır. Ancak, şimdiye kadar, tüm mikro kanal soğutma sistemleri ayrı ayrı üretildi ve daha sonra çiple birleştirildi. Yapıştırma tabakası ısı direnci ekler, kanallar ve devre ekipmanları sıkıca hizalanmamıştır.
Matoli, aynı çipte cihazlar ve soğutma kanalları yaparak "Bir sonraki seviyeye taşıdık" diyor. Silikon bir substrat üzerine kaplanmış galyum nitrür tabakasına mikron çapında çatlaklar kazıdılar. Yarık uzunluğu 30μm, derin 115μm. Özel gaz gravür tekniklerini kullanarak, silikon substrattaki boşlukları genişleterek sıvı soğutma sıvısının geçtiği kanalları oluştururlar.
Araştırmacılar daha sonra galyum nitrür katmanlarındaki küçük açıklıkları mühürlemek ve üzerlerinde cihazlar oluşturmak için bakır kullandılar. "Gofretin küçük bölgelerinde sadece her transistörle temas halinde olan mikrokanellerimiz var", dedi. Bu, teknolojiyi çok daha etkili hale getiriyor, çünkü yakınlardan çok fazla ısı çıkarabiliyorum, ancak kullandığımız pompalama gücü çok küçük."
Bir gösteri olarak araştırmacılar, her biri 1.2kV voltajı kaldırabilen dört Schottky diyotlarından oluşan bir AC-DC doğrultucu devresi inşa etti. Bu gibi devreler genellikle yumruk büyüklüğünde bir radyatör gerektirir. Ancak sıvı soğutma sistemine sahip devre çipi, USB flash sürücü büyüklüğünde baskılı bir devre kartına monte edilir. Devre kartı, soğutucuyu çipe teslim etmek için içine kanallar oyulmuş üç katmandan oluşur.
Ekran, santimetrekare başına 1.700 watt'tan fazla güç yoğunluğuna sahip sıcak noktaların, santimetrekare başına sadece 0,57 watt pompalama gücü kullanılarak soğutulabileceğini göstermektedir. Bu, daha önce bildirilen mikroakışkan kanal soğutmasına kıyasla performansta 50 kat iyileşmedir.
"Galyum nitrür filmlerinin ve bakır contaların güvenilirliği zamanla incelenmelidir. Ancak bu yenilikçi soğutma çözümü, düşük maliyetli, ultra kompakt ve enerji tasarruflu güç elektroniği soğutma sistemi için büyük bir adımdır.