오늘날 고밀도 전자 장비에서 발생하는 열은 고가의 자원 소비입니다. 최적의 컴퓨팅 성능을 위해 시스템을 적절한 온도로 유지하기 위해 미국의 냉각 시스템은 필라델피아의 모든 거주자만큼 많은 에너지와 물을 소비합니다. 이제 연구원들은 액체 냉각 채널을 반도체 칩에 직접 통합함으로써 전력 전자 장비의 손실을 최소한 줄이고 비용을 낮추고 에너지 소비를 낮추기를 희망합니다.
스위스 로잔에 있는 Ecole Institute of Technology의 전기 공학 교수인 Elison Matioli는 전통적으로 전자 장치와 열 관리 시스템이 별도로 설계 및 제조된다고 말했습니다. 이것은 열이 제거될 여러 재료에서 비교적 먼 거리를 이동해야 하기 때문에 냉각 효율을 향상시키는 데 근본적인 장애물이 됩니다. 예를 들어, 오늘날'의 프로세서에서 열 재료 사이펀은 칩에서 부피가 큰 공냉식 구리 방열판으로 열을 전달합니다.
보다 에너지 효율적인 솔루션을 얻기 위해 Matioli와 그의 동료들은 미세 유체 냉각 채널의 3D 네트워크를 반도체 칩에 직접 넣는 저비용 프로세스를 개발했습니다. 액체는 공기보다 열을 더 잘 제거할 수 있습니다. 아이디어는 칩의 핫스팟에서 냉각수 마이크로미터를 멀리 유지하는 것입니다.
그러나 이전에 보고된 미세유체 냉각 기술과 달리 그는 “우리는 처음부터 전자 장치와 냉각 시스템을 설계한다”고 말했다. 따라서 마이크로 채널은 온도가 가장 높은 각 트랜지스터 소자의 활성 영역 아래에 위치하므로 냉각 성능이 50배 향상됩니다. 최근"Nature" 잡지.
연구원들은 이미 1981년에 마이크로 채널 냉각 기술을 제안했으며 Cooligy와 같은 신생 회사도 프로세서 개념을 추구해 왔습니다. 그러나 반도체 산업은 평면 장치에서 3차원 장치로 이동하고 있으며 다층 구조의 미래 칩으로 이동하고 있어 냉각 채널이 비실용적입니다."이런 종류의 임베디드 냉각 솔루션은 CPU와 같은 최신 프로세서 및 칩에 적합하지 않습니다." 벨기에의 Interuniversity Microelectronics Center와 KU Luuven에서 전자 냉각 솔루션을 연구하는 Tiwei Wei가 말했습니다."반대로 이러한 냉각 기술은 전력 전자 제품에 가장 적합합니다." 그는 말했다.
전력 전자 회로는 컴퓨터, 데이터 센터, 태양 전지판, 전기 자동차 등의 분야에서 널리 사용되는 전기 에너지를 관리하고 변환합니다. 그들은 질화갈륨과 같은 광대역 갭 반도체로 만들어진 대면적 이산 소자를 사용했습니다. 이러한 장치의 전력 밀도는 지난 몇 년 동안 급격히 증가했으며 이는&'거대한 방열판,&'과 연결되어야 함을 의미합니다. 마톨리가 말했다.
최근 전력 전자 모듈은 냉각판 또는 마이크로 채널 냉각 시스템을 통한 액체 냉각으로 전환되었습니다. 그러나 지금까지 모든 마이크로 채널 냉각 시스템은 별도로 제조된 다음 칩과 결합되었습니다. 접합층은 내열성을 증가시키며, 채널과 회로소자가 밀접하게 정렬되지 않는다.
& quot;다음 단계로 이동했습니다." Matoli는 동일한 칩에서 장비와 냉각 채널을 제조함으로써 말했습니다. 그들은 실리콘 기판에 코팅된 질화갈륨 층에 미크론 너비의 균열을 에칭했습니다. 슬릿의 길이는 30μm, 깊이는 115μm입니다. 특수 가스 에칭 기술을 사용하여 실리콘 기판의 간격을 넓혀 액체 냉각제가 통과하는 채널을 형성합니다.
그런 다음 연구원들은 구리를 사용하여 질화갈륨 층의 작은 구멍을 밀봉하고 그 위에 장치를 제작했습니다. 그는 말했다:&"우리는 웨이퍼의 작은 영역에만 마이크로채널을 가지고 있으며 이 마이크로채널은 모든 트랜지스터와 접촉합니다. 이것은 우리가 근처에서 많은 열을 추출할 수 있기 때문에 이 기술을 더 효과적으로 만들지만 우리가 사용하는 펌핑 전력은 매우 작습니다.&따옴표;
시연으로 연구원들은 4개의 쇼트키 다이오드로 구성된 AC-DC 정류기 회로를 만들었다. 각 다이오드는 1.2kV를 처리할 수 있습니다. 이와 같은 회로에는 일반적으로 주먹 크기의 방열판이 필요합니다. 그러나 액체 냉각 시스템과 통합된 회로 칩은 USB 플래시 드라이브 크기의 인쇄 회로 기판에 장착됩니다. 회로 기판은 냉각 액체를 칩에 전달하기 위해 채널이 새겨진 세 개의 레이어로 구성됩니다.
디스플레이에 따르면 전력 밀도가 1700W/cm² 이상인 핫스팟은 0.57W/cm² 펌핑 전력으로 냉각될 수 있습니다. 이전에 보고된 미세 유체 채널 냉각과 비교하여 성능이 50배 향상되었습니다.
Wei는&"질화갈륨막과 구리 밀봉층의 신뢰성은 시간이 지남에 따라 연구되어야 합니다. 그러나 이 혁신적인 냉각 솔루션은&'저비용, 초소형 및 에너지 절약형 전력 전자 냉각 시스템을 향한 한 걸음입니다.&따옴표; 큰 진전입니다.&따옴표;