في الوقت الحاضر ، والحرارة الناتجة عن المعدات الإلكترونية الكثيفة هو استهلاك الموارد باهظة الثمن. من أجل الحفاظ على النظام في درجة الحرارة المناسبة لأداء الحوسبة المثلى ، ونظام التبريد في الولايات المتحدة يستهلك الكثير من الطاقة والمياه وجميع سكان فيلادلفيا. والآن، من خلال دمج قناة التبريد السائل مباشرة في رقاقة أشباه الموصلات، يأمل الباحثون في الحد على الأقل من هذه الخسارة في المعدات الإلكترونية للطاقة، مما يجعلها أصغر وأقل تكلفة وأقل استهلاكا للطاقة.
تقول إليسون ماتيولي، أستاذة الهندسة الكهربائية في معهد إيكول للتكنولوجيا في لوزان، سويسرا، إنه تقليديا، يتم تصميم وتصنيع الأجهزة الإلكترونية وأنظمة الإدارة الحرارية بشكل منفصل. وهذا يجلب عقبة أساسية لتحسين كفاءة التبريد، لأن الحرارة يجب أن يسافر مسافة طويلة نسبيا في مواد متعددة لإزالتها. على سبيل المثال، في المعالجات اليوم، تنقل شفط المواد الحرارية الحرارة من الشريحة إلى بالوعة حرارة النحاس الضخمة المبردة بالهواء.
من أجل الحصول على حل أكثر كفاءة في استخدام الطاقة ، طور ماتيولي وزملاؤه عملية منخفضة التكلفة تضع شبكة 3D من قنوات التبريد الدقيقة مباشرة في رقاقة أشباه الموصلات. السائل يمكن إزالة الحرارة أفضل من الهواء. والفكرة هي للحفاظ على ميكرومتر المبرد بعيدا عن النقاط الساخنة من رقاقة.
ولكن على عكس تكنولوجيا التبريد الدقيق التي تم الإبلاغ عنها سابقا، قال: "نحن نصمم الأجهزة الإلكترونية وأنظمة التبريد من البداية". لذلك، يقع القناة الدقيقة تحت المنطقة النشطة من كل جهاز الترانزستور، حيث درجة حرارته أعلى، مما يزيد من أداء التبريد من قبل 50 مرة. وأبلغوا عن مفهوم التصميم المشترك في مجلة "نيتشر" الأخيرة.
وقد اقترح الباحثون تكنولوجيا تبريد القنوات الصغيرة في وقت مبكر من عام 1981، كما تسعى الشركات الناشئة مثل كوليغي إلى اتباع مفهوم المعالجات. ومع ذلك ، فإن صناعة أشباه الموصلات تتحول من أجهزة بلانار إلى أجهزة ثلاثية الأبعاد ، وتتجه نحو رقائق مستقبلية مع هياكل متعددة الطبقات ، مما يجعل قنوات التبريد غير عملية. "هذا النوع من حل التبريد جزءا لا يتجزأ ليست مناسبة للمعالجات الحديثة ورقائق البطاطس، مثل وحدات المعالجة المركزية"، وقال تيوي وي، الذي يدرس حلول التبريد الإلكترونية في مركز الإلكترونيات الدقيقة بين الجامعات وجامعة كو لوفين في بلجيكا. وقال "على العكس من ذلك، فإن هذا النوع من تكنولوجيا التبريد هو الأكثر منطقية بالنسبة لإلكترونيات الطاقة.
تدير دوائر الطاقة الإلكترونية الطاقة الكهربائية وتحولها، والتي تستخدم على نطاق واسع في مجالات مثل أجهزة الكمبيوتر ومراكز البيانات والألواح الشمسية والمركبات الكهربائية. استخدموا أجهزة منفصلة واسعة المساحة مصنوعة من أشباه الموصلات واسعة النطاق مثل نيتريد الغاليوم. وقال ماتولى ان كثافة الطاقة فى هذه الاجهزة ارتفعت بشكل حاد فى السنوات القليلة الماضية ، مما يعنى انه يجب " ربطها ببالوعة حرارية ضخمة " .
في الآونة الأخيرة ، تحولت وحدات الطاقة الإلكترونية إلى التبريد السائل ، سواء من خلال لوحات باردة أو أنظمة تبريد القنوات الصغيرة. ومع ذلك، حتى الآن، تم تصنيع جميع أنظمة تبريد القنوات الصغيرة بشكل منفصل ومن ثم دمجها مع الرقائق. تزيد طبقة الترابط من مقاومة الحرارة، ولا يتم محاذاة القناة وجهاز الدائرة بشكل وثيق.
وقال ماتولى من خلال تصنيع المعدات وقنوات التبريد فى نفس الشريحة " لقد انتقلنا الى المستوى التالى " . حفروا الشقوق على نطاق ميكرون في طبقة نيتريد الغاليوم المغلفة على ركيزة السيليكون. الشق هو 30μm طويلة و 115μm عميق. باستخدام تكنولوجيا خاصة لحفر الغاز ، فإنها توسع الفجوة على ركيزة السيليكون لتشكيل قناة يمر من خلالها المبرد السائل.
ثم استخدم الباحثون النحاس لإغلاق الفتحات الصغيرة في طبقة نيتريد الغاليوم والأجهزة المصنعة عليه. وقال: "ليس لدينا سوى قنوات صغيرة في مناطق صغيرة من الرقائق، وهذه القنوات الصغيرة على اتصال مع كل ترانزستور. وهذا يجعل هذه التكنولوجيا أكثر فعالية لأننا يمكن استخراج الكثير من الحرارة من مكان قريب، ولكن ضخ نستخدم الطاقة صغيرة جدا.
وكدليل على ذلك، قام الباحثون بعمل دائرة تصحيح AC-DC تتكون من أربعة ثنائيات شوتكي. يمكن لكل صمام ثنائي التعامل مع 1.2kV. دائرة مثل هذه عادة ما تتطلب بالوعة حرارة بحجم قبضة اليد. ولكن يتم تركيب رقاقة الدائرة المتكاملة مع نظام التبريد السائل على لوحة الدوائر المطبوعة بحجم محرك أقراص فلاش USB. تتكون لوحة الدارات من ثلاث طبقات مع قنوات محفورة عليها لتوصيل سائل التبريد إلى الشريحة.
تظهر الشاشة أنه يمكن تبريد النقاط الساخنة التي تزيد كثافة الطاقة فيها عن 1700 واط/سم² بقوة ضخ 0.57 واط/سم² فقط. بالمقارنة مع تبريد القناة microfluidic المبلغ عنها سابقا ، يتم تحسين الأداء بمقدار 50 مرة.
وقال وى " انه يتعين دراسة موثوقية فيلم نيتريد الجاليوم وطبقة ختم النحاس مع مرور الوقت . ولكن حل التبريد المبتكر هذا يشكل خطوة نحو "نظام تبريد إلكتروني منخفض التكلفة ومدمج للغاية وموفر للطاقة". خطوة كبيرة إلى الأمام".