Для исследователей уже давно не секрет, что производительность электронных систем могла бы повысить интеграция каналов микрожидкостного охлаждения в микросхемы для предотвращения их перегрева. Однако такая интеграция значительно увеличивает сложность изготовления микросхем и увеличивает их стоимость. И вот впервые удалось спроектировать устройство с встроенной микрожидкостной системой охлаждения, которая тесно связана с электронными компонентами и построена на едином недорогом процессе.
В настоящее время существует три конструкции микрожидкостного охлаждения. В первой тепло передается от чипа по двум слоям термоинтерфейсного материала (TIM) через крышку к охлаждающей пластине. Она содержит микрожидкостные каналы с жидким хладагентом. Во второй конструкции чип не имеет крышки, и тепло передается непосредственно от его задней части через единственный слой TIM к пластине с микрожидкостным охлаждением. Недостаток этих систем заключается в использовании TIM, так как сопротивление тепловому потоку все же возникает.
В третьей конструкции эту проблему решили. Охлаждающую жидкость привели в непосредственный контакт с микросхемой благодаря прямому струйному охлаждению, когда жидкий хладагент выбрасывается из сопел в микроканалах непосредственно на заднюю часть чипа.
Однако технология оказалась дорогой. Недорогие же варианты на основе полимеров несовместимы с существующими процессами производства и сборки электронных устройств.
Другой подход, который обеспечивает непосредственный контакт охлаждающей жидкости с задней частью микросхемы, — это встроенное жидкостное охлаждение, при котором холодная жидкость прокачивается через прямые параллельные микроканалы (SPMC), протравленные непосредственно в полупроводниковом устройстве. Технология превращает заднюю часть чипа в радиатор. Однако это требует дополнительной обработки по сравнению с другими методами.
Основным недостатком SPMC является то, что давление в каналах значительно возрастает по мере прохождения жидкости, а это означает, что необходим насос высокой мощности. В итоге растет потребление энергии, а также создаются потенциально опасные механические нагрузки на полупроводниковое устройство. На кристалле образуется высокий температурный градиент, который может вызвать термомеханическое напряжение и локальное коробление тонкой матрицы.
Трехмерные системы охлаждения, известные как микроканалы со встроенным коллектором (EMMC), имеют большой потенциал. В этих системах трехмерный иерархический коллектор — компонент канала, который имеет несколько портов для распределения охлаждающей жидкости — обеспечивает несколько входов и выходов для микроканалов, тем самым разделяя поток охлаждающей жидкости на несколько параллельных. Однако интеграция EMMC в микросхемы увеличивает сложность и стоимость их создания. Поэтому системы обычно проектируют как отдельные модули, а потом подсоединяют их к источнику тепла или к чипу для оценки охлаждающих свойств.
Исследователи из Швейцарии же разработали то, что они описывают как монолитно интегрированный микроканал коллектора (mMMC) — систему, в которой EMMC интегрированы и изготовлены с микросхемой на едином кристалле. Скрытые каналы встроены прямо под активными областями микросхемы, так что охлаждающая жидкость проходит непосредственно под источниками тепла. Процесс создания mММС включает три этапа. Сначала на кремниевой подложке, покрытой слоем полупроводникового нитрида галлия (GaN), протравливаются узкие щели; глубина прорезей определяет глубину создаваемых каналов. Затем используется процесс, известный как травление изотропным газом, для расширения щелей в кремнии до конечной ширины каналов; короткие участки каналов соединяются для создания более протяженных систем. После этого отверстия в слое GaN поверх каналов заделываются медью. Электронное устройство может быть изготовлено в слое GaN. Новый процесс не требует соединительной системы между коллектором и устройством.
Ученые создали силовой электронный модуль, который преобразует переменный ток в постоянный. Эксперименты с этим устройством показывают, что тепловые потоки, превышающие 1,7 киловатт на квадратный сантиметр, можно охладить, используя мощность накачки всего 0,57 Вт/см2. Более того, устройство с жидкостным охлаждением демонстрирует значительно более высокую эффективность преобразования, чем аналогичное неохлаждаемое устройство, поскольку исключается деградация, вызванная самонагревом.
Однако еще предстоит изучить структурную целостность тонкого слоя GaN, чтобы понять, как долго он остается стабильным. Плюс, авторы разработки использовали клей, максимальная рабочая температура которого составляет 120 °C, для соединения микроканалов в устройствах с каналами доставки жидкости на поддерживающей печатной плате. Получается, собранная система не выдержит более высоких температур, таких как типичная температура (250°C) пайки оплавлением при производстве электронных устройств.
Наконец, в своих экспериментах авторы реализовали только однофазное охлаждение водой, при котором она не становилась настолько горячей, чтобы превращаться в газ. Теперь было бы логично показать, как происходит охлаждение устройств в двухфазной проточной системе, где тепло рассеивается за счет испарения жидкости. Стоит также учесть, что вода может быть не идеальной охлаждающей жидкостью из-за риска замерзания или прямого контакта с микросхемой.
См. также:
square
Поговорка «Вода камень точит» заиграет новыми красками