今日では、高密度電子機器によって発生する熱は、高価な資源消費です。最適なコンピューティングパフォーマンスのためにシステムを適切な温度に保つために、米国の冷却システムはフィラデルフィアのすべての住民と同じくらい多くのエネルギーと水を消費します。現在、液体冷却チャネルを半導体チップに直接組み込むことで、研究者は少なくとも電力電子機器の損失を減らし、より小さく、低コストで、エネルギー消費量を削減したいと考えています。
伝統的に、電子機器と熱管理システムは別々に設計され、製造されていると、スイスのローザンヌにあるエコール工科大学の電気工学教授、エリソン・マティオリは言います。これは、熱が除去される複数の材料で比較的長い距離を移動する必要があるため、冷却効率を向上させる根本的な障害をもたらします。たとえば、今日のプロセッサでは、熱材料サイフォンは、チップからかさばる空冷銅ヒートシンクに熱を伝達します。
Matioliたちは、よりエネルギー効率の高いソリューションを得るために、マイクロ流体冷却チャネルの3Dネットワークを半導体チップに直接配置する低コストのプロセスを開発しました。液体は空気よりも熱を取り除くことができます。アイデアは、チップのホットスポットからクーラントマイクロメーターを遠ざけることです。
しかし、以前に報告されたマイクロ流体冷却技術とは異なり、「私たちは最初から電子機器と冷却システムを設計しています」と彼は言いました。したがって、マイクロチャネルは、各トランジスタデバイスの活性領域より下に位置し、その温度が最高で、冷却性能を50倍に向上させます。彼らは最近の「ネイチャー」誌で共通のデザインコンセプトを報告しました。
研究者は、早ければ1981年にマイクロチャネル冷却技術を提案しており、クーリーギーなどの新興企業もプロセッサの概念を追求してきました。しかし、半導体産業は平面デバイスから3次元デバイスに移行し、多層構造の将来のチップに移行しており、冷却チャネルは非現実的です。「この種の組み込み冷却ソリューションは、CPUなどの現代のプロセッサやチップには適していません」と、ベルギーの大学間マイクロエレクトロニクスセンターとKU Luuvenで電子冷却ソリューションを研究しているTiwei Wei氏は述べています。「それどころか、この種の冷却技術は、パワーエレクトロニクスにとって最も理にかなっています」と、彼が言いました。
電力電子回路は、コンピュータ、データセンター、ソーラーパネル、電気自動車などの分野で広く使用されている電気エネルギーを管理・変換します。彼らは、窒化ガリウムのような広帯域帯半導体で作られた大面積離散デバイスを使用しました。これらのデバイスの電力密度はここ数年で急激に上昇しており、これは「巨大なヒートシンクに接続されなければならない」ことを意味する、とMatoli氏は述べた。
近年、パワーエレクトロニクスモジュールは、冷たいプレートやマイクロチャネル冷却システムを通じて液体冷却に変わりました。しかし、現在までに、すべてのマイクロチャネル冷却システムは別々に製造され、チップと組み合わされています。接合層は耐熱性を高め、チャネルと回路装置は密接に位置合わせされていない。
「我々はそれを次のレベルに引き上げました」と、Matoliは同じチップで機器と冷却チャネルを製造することによって言いました。彼らはシリコン基板上にコーティングされた窒化ガリウム層にミクロン全体の亀裂をエッチングした。スリットは長さ30μm、深さ115μmです。特殊なガスエッチング技術を用いて、シリコン基板の隙間を広げ、液体クーラントが通過するチャネルを形成します。
その後、研究者たちは銅を使用して窒化ガリウム層の小さな開口部を密封し、その上にデバイスを製造しました。彼は言いました:「私たちはウエハーの小さな領域にマイクロチャネルしかなく、これらのマイクロチャネルはすべてのトランジスタと接触しています。この技術は、近くから多くの熱を取り出すことができるので、より効果的ですが、私たちが使用するポンプは非常に小さいです。
デモンストレーションとして、研究者たちは4つのショットキーダイオードで構成されるAC-DC整流回路を作りました。各ダイオードは1.2kVを扱うことができます。このような回路は、通常、拳サイズのヒートシンクを必要とします。しかし、液体冷却システムと統合された回路チップは、USBフラッシュドライブの大きさのプリント基板に取り付けられています。回路基板は、冷却液をチップに供給するために、チャネルが刻まれた3つの層で構成されています。
このディスプレイは、1700 W/cm²を超える電力密度のホットスポットを0.57 W/cm²のポンプ電力で冷却できることを示しています。前述のマイクロ流体チャネル冷却と比較して、性能は50倍向上します。
「窒化ガリウムフィルムと銅シール層の信頼性は、時間の経過とともに検討されるべきです。しかし、この革新的な冷却ソリューションは、「低コストで超小型で省エネ型の電力電子冷却システム」への一歩です。大きな一歩を踏み出しました。