Hari ini, haba dari elektronik padat adalah sumber yang mahal. Untuk memastikan sistem berada pada suhu yang tepat untuk prestasi pengiraan yang optimum, sistem penyejukan pusat data AS menggunakan tenaga dan air sebanyak yang dilakukan oleh semua penduduk Philadelphia. Sekarang, dengan mengintegrasikan saluran penyejukan cecair secara langsung ke dalam cip semikonduktor, para penyelidik berharap dapat mengurangkan kerugian ini sekurang-kurangnya dalam elektronik kuasa, menjadikannya lebih kecil, lebih murah dan kurang intensif tenaga.
Secara tradisional, peranti elektronik dan sistem pengurusan terma telah dirancang dan dihasilkan secara berasingan, kata Elison Matioli, seorang profesor kejuruteraan elektrik di Ecole Polytechnique di Lausanne, Switzerland. Ini memberikan penghalang asas untuk meningkatkan kecekapan penyejukan, kerana haba mesti menempuh jarak yang agak jauh di beberapa bahan sebelum dapat dikeluarkan. Pada masa ini, pemproses&# 39, misalnya, sifon bahan panas memindahkan haba dari cip ke sirip tembaga yang besar dan sejuk.
Untuk penyelesaian yang lebih cekap tenaga, Matioli dan rakannya mengembangkan proses kos rendah yang meletakkan rangkaian saluran penyejukan mikrofluida 3D terus ke cip semikonduktor. Cecair menghilangkan haba lebih baik daripada udara, dan idenya adalah menjauhkan mikrometer penyejuk dari tempat panas pada cip.
Tetapi tidak seperti penyejukan mikrofluida yang dilaporkan sebelumnya, dia berkata," Kami merancang elektronik dan sistem penyejukan sejak awal." Oleh itu, saluran mikro terletak tepat di bawah kawasan aktif setiap peranti transistor, di mana ia berada pada suhu tertinggi, yang meningkatkan prestasi penyejukan dengan faktor 50. Mereka melaporkan konsep reka bentuk bersama mereka dalam terbitan semula jadi baru-baru ini.
Para penyelidik mencadangkan teknologi penyejukan mikro saluran seawal tahun 1981, dan syarikat permulaan seperti Cooligy telah mengusahakan idea pemproses selama bertahun-tahun. Tetapi industri semikonduktor bergerak dari peranti planar ke peranti tiga dimensi dan menuju cip masa depan dengan struktur pelbagai lapisan, menjadikan saluran penyejukan tidak praktikal." Penyelesaian penyejukan tertanam ini tidak sesuai untuk pemproses dan cip moden seperti cpus," kata TiweiWei, yang meneliti penyelesaian penyejukan elektronik di Interuniversity Microelectronics Center dan KU Luuven di Belgium." Sebaliknya, teknologi penyejukan ini paling masuk akal untuk elektronik kuasa," katanya.
Litar elektronik kuasa mengurus dan menukar tenaga elektrik dan banyak digunakan di komputer, pusat data, panel solar dan kenderaan elektrik. Mereka menggunakan peranti diskrit kawasan besar yang diperbuat daripada semikonduktor lebar lebar seperti galium nitrida. Ketumpatan kuasa peranti ini telah meroket dalam beberapa tahun kebelakangan ini, yang bermaksud ia harus" disambungkan ke radiator gergasi," Matoli berkata.
Baru-baru ini, modul elektronik kuasa telah beralih ke penyejukan cecair, sama ada melalui sistem penyejukan plat sejuk atau saluran mikro. Tetapi, sehingga sekarang, semua sistem penyejukan saluran mikro telah dihasilkan secara berasingan dan kemudian digabungkan dengan cip tersebut. Lapisan ikatan menambah rintangan haba, saluran dan peralatan litar tidak diselaraskan dengan ketat.
& quot; Kami membawanya ke tahap seterusnya," Kata Matoli, dengan membuat peranti dan saluran penyejuk dalam cip yang sama. Mereka melekatkan celah selebar mikron di lapisan gallium nitrida yang dilapisi pada substrat silikon. Panjang celah 30μm, dalam 115μm. Dengan menggunakan teknik pengetatan gas khas, mereka melebarkan jurang pada substrat silikon untuk membentuk saluran yang dilalui oleh penyejuk cecair.
Para penyelidik kemudian menggunakan tembaga untuk menutup bukaan kecil di lapisan gallium nitrida dan membina peranti di atasnya." Kami hanya mempunyai saluran mikro di kawasan kecil wafer yang bersentuhan dengan setiap transistor," katanya. Ini menjadikan teknologi jauh lebih berkesan kerana kita dapat mengeluarkan banyak haba dari kawasan berdekatan, tetapi daya pam yang kita gunakan sangat kecil."
Sebagai demonstrasi, para penyelidik membina litar penyearah AC-DC yang terdiri daripada empat dioda Schottky, masing-masing mampu menangani voltan 1.2kV. Litar seperti ini biasanya memerlukan radiator bersaiz kepalan. Tetapi cip litar dengan sistem penyejukan cecair dipasang pada papan litar bercetak dengan ukuran pemacu denyar USB. Papan litar terdiri daripada tiga lapisan dengan saluran diukir ke dalamnya untuk menyampaikan penyejuk ke cip.
Paparan menunjukkan bahawa titik panas dengan ketumpatan daya lebih dari 1,700 watt per sentimeter persegi dapat disejukkan dengan hanya menggunakan 0,57 watt per sentimeter persegi daya pam. Ini adalah peningkatan prestasi 50 kali ganda berbanding penyejukan saluran mikrofluida yang dilaporkan sebelumnya.
& quot; Kebolehpercayaan filem gallium nitrida dan meterai tembaga harus dikaji dari masa ke masa. Tetapi penyelesaian penyejukan inovatif ini adalah langkah besar menuju sistem penyejukan elektronik berkuasa rendah, ultra-kompak dan tenaga.