Saat ini, panas dari elektronik padat adalah sumber daya yang mahal. Untuk menjaga sistem pada suhu yang tepat untuk kinerja komputasi yang optimal, sistem pendingin pusat data AS mengkonsumsi energi dan air sebanyak semua penduduk Philadelphia. Sekarang, dengan mengintegrasikan saluran pendingin cair langsung ke chip semikonduktor, para peneliti berharap untuk mengurangi kerugian ini setidaknya dalam elektronika daya, membuatnya lebih kecil, lebih murah, dan lebih hemat energi.
Secara tradisional, perangkat elektronik dan sistem manajemen termal telah dirancang dan diproduksi secara terpisah, kata Elison Matioli, seorang profesor teknik elektro di ecole Polytechnique di Lausanne, Swiss. Ini menghadirkan penghalang mendasar untuk meningkatkan efisiensi pendinginan, karena panas harus menempuh jarak yang relatif jauh melintasi beberapa bahan sebelum dapat dihilangkan. Pada prosesor's hari ini, misalnya, sifon bahan panas mentransfer panas dari chip ke sirip tembaga berpendingin udara yang besar.
Untuk solusi yang lebih hemat energi, Matioli dan rekan-rekannya mengembangkan proses berbiaya rendah yang menempatkan jaringan 3D saluran pendingin mikofluida langsung ke dalam chip semikonduktor. Cairan menghilangkan panas lebih baik daripada udara, dan idenya adalah untuk menjauhkan mikrometer pendingin dari titik panas pada chip.
Tapi tidak seperti pendinginan mikrofluida yang dilaporkan sebelumnya, katanya,"Kami merancang elektronik dan sistem pendingin dari awal.&kutipan; Dengan demikian, saluran mikro terletak tepat di bawah wilayah aktif setiap perangkat transistor, di mana ia berada pada suhu tertinggi, yang meningkatkan kinerja pendinginan dengan faktor 50. Mereka melaporkan konsep desain bersama mereka dalam edisi terbaru alam.
Para peneliti mengusulkan teknologi pendinginan saluran mikro pada awal 1981, dan perusahaan rintisan seperti Cooligy telah mengejar ide prosesor selama bertahun-tahun. Tetapi industri semikonduktor bergerak dari perangkat planar ke perangkat tiga dimensi dan menuju chip masa depan dengan struktur multilayer, membuat saluran pendingin tidak praktis."Solusi pendinginan tertanam ini tidak cocok untuk prosesor dan chip modern seperti cpus," kata TiweiWei, yang meneliti solusi pendinginan elektronik di Interuniversity Microelectronics Center dan KU Luuven di Belgia."Sebaliknya, teknologi pendinginan ini paling masuk akal untuk elektronika daya," dia berkata.
Sirkuit elektronik daya mengelola dan mengubah energi listrik dan banyak digunakan di komputer, pusat data, panel surya, dan kendaraan listrik. Mereka menggunakan perangkat diskrit area besar yang terbuat dari semikonduktor celah pita lebar seperti galium nitrida. Kepadatan daya perangkat ini telah meroket dalam beberapa tahun terakhir, yang berarti mereka harus"dihubungkan ke radiator raksasa," kata Matoli.
Baru-baru ini, modul elektronika daya telah beralih ke pendingin cair, baik melalui pelat dingin atau sistem pendingin saluran mikro. Tapi, sampai sekarang, semua sistem pendingin microchannel telah diproduksi secara terpisah dan kemudian digabungkan dengan chip. Lapisan ikatan menambah ketahanan panas, saluran dan peralatan sirkuit tidak selaras.
& quot;Kami membawanya ke level berikutnya," Kata Matoli, dengan membuat perangkat dan saluran pendingin dalam satu chip. Mereka mengukir retakan selebar mikron di lapisan galium nitrida yang dilapisi pada substrat silikon. Panjang celah 30μm, kedalaman 115μm. Menggunakan teknik etsa gas khusus, mereka memperlebar celah di substrat silikon untuk membentuk saluran yang dilalui cairan pendingin.
Para peneliti kemudian menggunakan tembaga untuk menutup lubang kecil di lapisan galium nitrida dan membangun perangkat di atasnya."Kami hanya memiliki saluran mikro di area kecil wafer yang bersentuhan dengan setiap transistor," dia berkata. Hal ini membuat teknologi ini jauh lebih efektif karena kita dapat mengekstrak banyak panas dari sekitar, tetapi daya pemompaan yang kita gunakan sangat kecil.&kutipan;
Sebagai demonstrasi, para peneliti membangun rangkaian penyearah AC-DC yang terdiri dari empat dioda Schottky, masing-masing mampu menangani tegangan 1,2kV. Sirkuit seperti ini biasanya membutuhkan radiator berukuran kepalan tangan. Tetapi chip sirkuit dengan sistem pendingin cair dipasang pada papan sirkuit tercetak seukuran USB flash drive. Papan sirkuit terdiri dari tiga lapisan dengan saluran yang diukir di dalamnya untuk mengalirkan cairan pendingin ke chip.
Layar menunjukkan bahwa titik panas dengan kepadatan daya lebih dari 1.700 watt per sentimeter persegi dapat didinginkan hanya dengan menggunakan daya pemompaan 0,57 watt per sentimeter persegi. Ini adalah peningkatan kinerja 50 kali lipat dibandingkan dengan pendinginan saluran mikofluida yang dilaporkan sebelumnya.
& quot;Keandalan film galium nitrida dan segel tembaga harus dipelajari dari waktu ke waktu. Namun solusi pendinginan inovatif ini merupakan langkah besar menuju sistem pendingin elektronika daya yang berbiaya rendah, ultra-kompak, dan hemat energi.