Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Воду для охлаждения налили прямо в чип

Снизу вверх: кремниевая подложка, канал жидкости, нитрид галлия, медные пробки

Erp et al. / Nature, 2020

Швейцарские инженеры интегрировали микрофлюидные охлаждающие трубки внутрь чипа. Такое решение позволило отводить тепло примерно в 50 раз эффективнее, чем с использованием внешнего термоинтерфейса. Потенциально эта технология предоставит возможность создавать микроэлектронику, которая позволит работать с киловаттными мощностями. Работа опубликована в Nature.

Электронные устройства нагреваются в процессе работы, и, при прочих равных, чем они мощнее, тем больше выделяется тепла. Это мешает сделать мощную электронику более миниатюрной, поскольку теплопроводность элемента прямо пропорциональна площади его сечения. Таким образом, чем мельче устройство, тем менее крупный термоинтерфейс в него можно поместить — и, соответственно, его мощность также уменьшается.

Между тем, ограничения теплопроводности материалов можно обойти, если сделать охлаждение активным, например, при помощи жидкости. Здесь существуют два пути: использовать фазовый переход (испарение) или просто прокачивать охладитель. Плюс испарения в том, что оно не требует насосов. Схему можно сделать закрытой, наподобие тепловых трубок, или, как вариант, прибор может просто «потеть» водой, запасенной в губках.

Второй путь — использовать каналы с циркулирующей жидкостью — удобнее и проще в применении, поскольку трубки для однородного потока проще выполнить компактными. Кроме того, эффективность охлаждения в этом случае можно увеличить с помощью мощного (по меркам микроустройств) насоса. Работы в этом направлении ведутся пару десятилетий, и в лабораторных условиях подведение к чипу системы микротрубок показывало хорошие результаты.

Инженеры из Федеральной политехнической школы Лозанны под руководством Ремко ван Эрпа (Remco van Erp) экспериментально подтвердили , что эффективность микрофлюидного охлаждения можно сильно увеличить, если подводить его не к теплообменнику чипа (на корпусе), а непосредственно внутрь, к горячим деталям. Для этого система трубок должна быть интегральной частью прибора, которую проектируют и изготавливают вместе с остальным.

Для демонстрации технологии ученые изготовили экспериментальный миниатюрный выпрямитель. В качестве основного рабочего материала выбрали нитрид галлия — полупроводник, который превосходит кремний при высоких мощностях. Под ним расположили кремниевую подложку, которая не подключена к электронным схемам, но основное новшество было заключено именно в ней. В кремнии инженеры протравили сеть канальцев с выходами на поверхность, прямо к рабочим горячим зонам. Чтобы вода не вытекала, канальцы гальванически запечатали пробками из меди. 

Для охлаждения в канальцы налили дистиллированную воду. В результате система демонстрировала рекордный теплотвод: 1,7 киловатта на квадратный сантиметр при использовании помпы мощностью всего в полватта, с пиковой дельтой температуры в 50 градусов. 

Это примерно в 50 раз превосходит схемы, которые полагаются на микротрубки, не заходящие внутрь чипа. Экспериментальная модель выпрямителя давала на выходе электрическую мощность 120 ватт, но ученые рассчитывают, что по этой технологии удастся сделать приборы киловаттного класса размером с USB-флешку.

Поскольку рост тепловыделения — существенный сдерживающий фактор развития микроэлектроники, компании пробуют разные, даже внешне причудливые способы теплоотвода. Например, Intel испытала охлаждение процессора прыгающими каплями.

Василий Зайцев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.