اليوم ، تعتبر الحرارة الناتجة عن الإلكترونيات الكثيفة موردًا مكلفًا. للحفاظ على النظام عند درجة الحرارة المناسبة للحصول على الأداء الحسابي الأمثل ، يستهلك نظام تبريد مركز البيانات الأمريكي نفس القدر من الطاقة والمياه مثل جميع سكان فيلادلفيا. الآن ، من خلال دمج قنوات التبريد السائل مباشرة في رقائق أشباه الموصلات ، يأمل الباحثون في تقليل هذه الخسارة على الأقل في إلكترونيات الطاقة ، مما يجعلها أصغر وأرخص وأقل استهلاكًا للطاقة.
تقليديا ، تم تصميم وتصنيع الأجهزة الإلكترونية وأنظمة الإدارة الحرارية بشكل منفصل ، حسب قول إليسون ماتيولي ، أستاذ الهندسة الكهربائية في مدرسة البوليتكنيك في لوزان ، سويسرا. يمثل هذا حاجزًا أساسيًا أمام تحسين كفاءة التبريد ، حيث يجب أن تنتقل الحرارة لمسافات طويلة نسبيًا عبر مواد متعددة قبل إزالتها. في معالجات اليوم&، على سبيل المثال ، تقوم شفرات المواد الساخنة بنقل الحرارة من الرقاقة إلى الزعانف النحاسية الضخمة المبردة بالهواء.
للحصول على حل أكثر كفاءة في استخدام الطاقة ، طور ماتيولي وزملاؤه عملية منخفضة التكلفة تضع شبكة ثلاثية الأبعاد من قنوات التبريد الموائع الدقيقة مباشرة في شريحة أشباه الموصلات. يزيل السائل الحرارة أفضل من الهواء ، والفكرة هي إبقاء ميكرومتر سائل التبريد بعيدًا عن البقعة الساخنة على الرقاقة.
ولكن على عكس التبريد الموائع الدقيقة الذي تم الإبلاغ عنه سابقًا ، قال ،&مثل ؛ نحن نصمم الإلكترونيات ونظام التبريد من البداية.&مثل ؛ وبالتالي ، تقع القناة الصغيرة أسفل المنطقة النشطة لكل جهاز ترانزستور ، حيث تكون في أعلى درجة حرارة لها ، مما يزيد من أداء التبريد بعامل 50. وقد أبلغوا عن مفهوم التصميم المشترك الخاص بهم في قضية حديثة تتعلق بالطبيعة.
اقترح الباحثون تقنية تبريد القنوات الصغيرة في وقت مبكر من عام 1981 ، وكانت الشركات الناشئة مثل Cooligy تتابع فكرة المعالجات لسنوات. لكن صناعة أشباه الموصلات تنتقل من الأجهزة المستوية إلى الأجهزة ثلاثية الأبعاد ونحو الرقائق المستقبلية ذات الهياكل متعددة الطبقات ، مما يجعل قنوات التبريد غير عملية.&"حل التبريد المدمج هذا غير مناسب للمعالجات والرقائق الحديثة مثل cpus،"؛ قال TiweiWei ، الذي يبحث في حلول التبريد الإلكترونية في مركز Interuniversity Microelectronics Center و KU Luuven في بلجيكا.&مثل ؛ بدلاً من ذلك ، فإن تقنية التبريد هذه هي الأكثر منطقية لإلكترونيات الطاقة ،&مثل ؛ هو قال.
تقوم الدوائر الإلكترونية للطاقة بإدارة وتحويل الطاقة الكهربائية وتستخدم على نطاق واسع في أجهزة الكمبيوتر ومراكز البيانات والألواح الشمسية والمركبات الكهربائية. استخدموا أجهزة منفصلة كبيرة المساحة مصنوعة من أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة العريضة مثل نيتريد الغاليوم. ارتفعت كثافة طاقة هذه الأجهزة في السنوات القليلة الماضية ، مما يعني أنه يجب أن تكون&مثل ؛ موصولة بمبرد عملاق ،&مثل ؛ قال ماتولي.
في الآونة الأخيرة ، تحولت وحدات إلكترونيات الطاقة إلى التبريد السائل ، إما من خلال أنظمة التبريد ذات الألواح الباردة أو أنظمة التبريد متناهية الصغر. ولكن حتى الآن ، تم تصنيع جميع أنظمة التبريد ذات القنوات الصغيرة بشكل منفصل ثم دمجها مع الشريحة. طبقة الترابط تضيف مقاومة للحرارة ، القنوات ومعدات الدائرة ليست محاذية بإحكام.
& مثل ؛ ارتقينا به إلى المستوى التالي ،&مثل ؛ يقول ماتولي ، عن طريق صنع الأجهزة وقنوات التبريد في نفس الشريحة. لقد حفروا شقوقًا بعرض ميكرون في طبقة من نيتريد الغاليوم مطلية على ركيزة من السيليكون. طول الشق 30 ميكرون وعمق 115 ميكرومتر. باستخدام تقنيات حفر الغاز الخاصة ، فإنها توسع الفجوات في الركيزة السيليكونية لتشكيل قنوات يمر من خلالها سائل التبريد.
ثم استخدم الباحثون النحاس لإغلاق فتحات صغيرة في طبقات نيتريد الغاليوم وبناء الأجهزة عليها.&مثل ؛ لدينا قنوات صغيرة فقط في مناطق صغيرة من الرقاقة التي تتلامس مع كل ترانزستور ،&مثل ؛ هو قال. هذا يجعل التكنولوجيا أكثر فاعلية لأنه يمكننا استخراج الكثير من الحرارة من المناطق المجاورة ، لكن قوة الضخ التي نستخدمها صغيرة جدًا.&مثل ؛
كدليل على ذلك ، قام الباحثون ببناء دائرة مقوم AC-DC تتكون من أربعة صمامات ثنائية شوتكي ، كل منها قادر على التعامل مع 1.2 كيلو فولت من الجهد. تتطلب مثل هذه الدوائر عادةً مشعاعًا بحجم قبضة اليد. لكن شريحة الدائرة المزودة بنظام التبريد السائل مثبتة على لوحة دوائر مطبوعة بحجم محرك أقراص فلاش USB. تتكون لوحة الدائرة من ثلاث طبقات بها قنوات محفورة عليها لتوصيل المبرد إلى الشريحة.
تُظهر الشاشة أن النقاط الساخنة التي تزيد كثافة الطاقة فيها عن 1700 واط لكل سنتيمتر مربع يمكن تبريدها باستخدام 0.57 واط لكل سنتيمتر مربع من قوة الضخ. هذا تحسن بمقدار 50 ضعفًا في الأداء مقارنةً بتبريد قناة ميكروفلويديك الذي تم الإبلاغ عنه مسبقًا.
& مثل ؛ يجب دراسة موثوقية أغشية نيتريد الغاليوم والأختام النحاسية بمرور الوقت. لكن حل التبريد المبتكر هذا يعد خطوة كبيرة نحو نظام تبريد إلكترونيات الطاقة منخفض التكلفة وصغير الحجم للغاية وموفر للطاقة.