오늘날 고밀도 전자 제품의 열은 값비싼 자원입니다. 최적의 계산 성능을 위해 시스템을 적절한 온도로 유지하기 위해 미국 데이터 센터 냉각 시스템은 필라델피아의 모든 거주자만큼 많은 에너지와 물을 소비합니다. 이제 연구원들은 액체 냉각 채널을 반도체 칩에 직접 통합함으로써 최소한 전력 전자 장치에서 이러한 손실을 줄여 더 작고 저렴하며 에너지 집약적으로 만들 수 있기를 희망합니다.
스위스 로잔에 있는 ecole Polytechnique의 전기 공학 교수인 Elison Matioli는 전통적으로 전자 장치와 열 관리 시스템이 별도로 설계 및 제조되었다고 말합니다. 이는 열이 제거되기 전에 여러 재료를 가로질러 비교적 먼 거리를 이동해야 하기 때문에 냉각 효율성 향상에 근본적인 장벽이 됩니다. 예를 들어 오늘날'의 프로세서에서 뜨거운 재료 사이펀은 칩에서 부피가 큰 공냉식 구리 핀으로 열을 전달합니다.
보다 에너지 효율적인 솔루션을 위해 Matioli와 그의 동료들은 미세 유체 냉각 채널의 3D 네트워크를 반도체 칩에 직접 넣는 저비용 프로세스를 개발했습니다. 액체는 공기보다 열을 더 잘 제거하며 아이디어는 냉각수 마이크로미터를 칩의 핫스팟에서 멀리 유지하는 것입니다.
그러나 이전에 보고된 미세유체 냉각과 달리&"우리는 처음부터 전자 장치와 냉각 시스템을 설계합니다.&따옴표; 따라서 마이크로 채널은 각 트랜지스터 장치의 활성 영역 바로 아래에 위치하며, 여기에서 온도가 가장 높기 때문에 냉각 성능이 50배 증가합니다. 그들은 최근 자연호에서 공동 설계 개념을 보고했습니다.
연구원들은 이미 1981년에 마이크로채널 냉각 기술을 제안했으며 Cooligy와 같은 신생 기업은 수년간 프로세서 아이디어를 추구해 왔습니다. 그러나 반도체 산업은 평면 장치에서 3차원 장치로, 그리고 다층 구조의 미래 칩으로 이동하고 있어 냉각 채널이 비실용적입니다."이 임베디드 냉각 솔루션은 CPU,"와 같은 최신 프로세서 및 칩에는 적합하지 않습니다. 벨기에의 Interuniversity Microelectronics Center와 KU Luuven에서 전자 냉각 솔루션을 연구하는 TiweiWei가 말했습니다."대신 이 냉각 기술은 전력 전자 제품에 가장 적합합니다." 그는 말했다.
전력 전자 회로는 전기 에너지를 관리 및 변환하며 컴퓨터, 데이터 센터, 태양 전지 패널 및 전기 자동차에 널리 사용됩니다. 그들은 질화갈륨과 같은 광대역 갭 반도체로 만들어진 대면적 이산 소자를 사용했습니다. 이러한 장치의 전력 밀도는 지난 몇 년 동안 치솟았습니다. 즉,&'거대한 라디에이터에 연결되어야 합니다. 마톨리가 말했다.
보다 최근에는 전력 전자 모듈이 냉각판 또는 마이크로채널 냉각 시스템을 통해 액체 냉각으로 전환되었습니다. 그러나 지금까지 모든 마이크로채널 냉각 시스템은 별도로 제조된 다음 칩과 결합되었습니다. 접착층은 내열성을 더하고, 채널과 회로 장비가 단단히 정렬되지 않습니다.
& quot;다음 단계로 이동했습니다." Matoli는 동일한 칩에서 장치와 냉각 채널을 만들 수 있다고 말합니다. 그들은 실리콘 기판에 코팅된 질화갈륨 층에서 미크론 너비의 균열을 에칭했습니다. 슬릿 길이 30μm, 깊이 115μm. 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 구축했습니다."우리는 각 트랜지스터와 접촉하는 웨이퍼의 작은 영역에만 마이크로 채널이 있습니다." 그는 말했다. 이것은 우리가 근처에서 많은 열을 추출할 수 있기 때문에 기술을 훨씬 더 효과적으로 만들지만 우리가 사용하는 펌핑 전력은 매우 작습니다.&따옴표;
시연으로 연구원들은 각각 1.2kV의 전압을 처리할 수 있는 4개의 쇼트키 다이오드로 구성된 AC-DC 정류기 회로를 구축했습니다. 이러한 회로에는 일반적으로 주먹 크기의 라디에이터가 필요합니다. 그러나 액체 냉각 시스템을 갖춘 회로 칩은 USB 플래시 드라이브 크기의 인쇄 회로 기판에 장착됩니다. 회로 기판은 칩에 냉각수를 전달하기 위해 조각된 채널이 있는 3개의 레이어로 구성됩니다.
디스플레이는 제곱센티미터당 1,700와트 이상의 전력 밀도를 가진 핫스팟을 펌핑 전력의 평방센티미터당 0.57와트만 사용하여 냉각할 수 있음을 보여줍니다. 이것은 이전에 보고된 미세 유체 채널 냉각에 비해 성능이 50배 향상되었습니다.
& "질화갈륨막과 구리 씰의 신뢰성은 시간이 지남에 따라 연구되어야 합니다. 그러나 이 혁신적인 냉각 솔루션은 저비용, 초소형 및 에너지 효율적인 전력 전자 냉각 시스템을 향한 큰 단계입니다.