Конструкция предусматривает размещение крошечных каналов охлаждающей жидкости вблизи нагретых участков внутри подложки чипа. Когда жидкость проходит по этим каналам, она поглощает тепло и частично превращается в пар, который выходит через специально устроенные выпускные отверстия.
Интегральные схемы содержат взаимосвязанные компоненты, которые обрабатывают информацию или управляют электрическими сигналами. В процессе работы они выделяют тепло, поэтому эффективное охлаждение важно как для производительности, так и для стабильной работы в долгосрочной перспективе.
Встроенная система охлаждения решает эту проблему, прорезая микроскопические каналы непосредственно в материале, на котором расположены микросхемы. Это позволяет подвести охлаждающую жидкость ближе к местам, где концентрируется тепло, и дать ей возможность поглощать и отводить его. Вода обладает полезными тепловыми свойствами, но ее потенциальная электропроводность требует принятия мер предосторожности для защиты компонентов микросхем.
«Встроенное охлаждение, при котором микрофлюидные структуры вытравливаются непосредственно в подложке чипа для подачи жидкого теплоносителя в непосредственной близости от горячих точек, может обеспечить рассеивание тепловых потоков до 3000 Вт/см2 при использовании воды в качестве теплоносителя», — считают исследователи Пекинского университета.
Вместо этого команда использовала диэлектрический хладагент HFE-7100 и спроектировала его систему с учетом перехода жидкости из состояния жидкости в состояние пара.
Исследователи изготовили свою охлаждающую конструкцию с использованием технологий, широко используемых в производстве электроники. Наряду с каналами рядом с нагретыми участками тестовых чипов они создали коллектор для распределения поступающей охлаждающей жидкости и сбора жидкости, выходящей из каналов.
Устройство сочетает в себе горизонтальные входные отверстия и вертикальные выпускные отверстия. Свежая жидкость поступает горизонтально для пополнения запасов охлаждающей жидкости, в то время как вертикальные каналы способствуют выходу паров.
Полученная HFE-7100 поглощает тепло при кипении внутри каналов. нагретая жидкостно-газовая смесь выходит через выпускные отверстия, унося энергию от чипа.
«Ключевую роль в усилении теплопередачи играет конструкция горизонтального коллектора с вертикальными впускными отверстиями для подачи жидкости и вертикальными выпускными отверстиями для ускорения отвода пара», — пишут авторы.
Первоначальные тесты зафиксировали критический тепловой поток в 1570 Вт на квадратный сантиметр. Это означает порог, при превышении которого кипячение больше не обеспечивает эффективного охлаждения.
Рисунок описывает теплопередачу на единицу площади, а не общее количество тепла, отводимого от всего чипа.
Авторы сообщили, что более ранние методы диэлектрического охлаждения часто ограничивались мощностью ниже 1000 Вт на квадратный сантиметр, даже с предварительным охлаждением и повышением давления.
«Поскольку наш подход основан на технологии микроэлектромеханических систем, его можно напрямую интегрировать со стандартными полупроводниковыми процессами и масштабировать для будущей электроники», — пишут исследователи.
Результаты исследования опубликованы в Nature Electronics.