Новая технология поможет сделать электронные устройства более компактными и снизить потребление энергии

Разработан недорогой в производстве процесс, позволяющий разместить трехмерную сеть микрожидкостных охлаждающих каналов в микрометрах от горячих точек в микросхемах.

Новая технология охлаждения позволит сделать электронные устройства еще более компактными и может значительно снизить потребление энергии. Кроме того появляется возможность создавать сверхкомпактные микросхемы на одном кристалле. Помимо большей вычислительной мощности, более низкие температуры могут означать болший срок службы устройства и меньшую утечку тока.

Новое исследование развивает идеи повышения эффективности интегрированных на чип си-стем охлаждения. Для решения могут использоваться трёхмерные системы охлаждения — микроканалы со встроенным коллектором (embedded manifold microchannels, EMMC). В них трёхмерный коллектор является компонентом канала, имеющего несколько портов для рас-пределения охлаждающей жидкости — простой деионизированной воды, которая не проводит ток и протекает через микрожидкостные каналы. (Изображение EPFL)

Быстрое развитие электроники привело к использованию очень компактных и точных устройств с относительно большой мощностью и отличными характеристиками. Но их температурная чувствительность, и, следовательно, охлаждение важно для сохранения стабильно высокой производительности и бесперебойной работы. При этом размеры этих электронных компонентов невелики, а поверхность, доступная для передачи тепла слишком мала. Следовательно, для эффективного отвода тепла от этих чувствительных элементов необходимы компактные, и в то же время высокоэффективные средства охлаждения.

По традиции электроника и система поддержания оптимального теплового состояния проектируются и изготавливаются отдельно. Это создает фундаментальное препятствие для повышения эффективности охлаждения, поскольку тепло от источника нагрева до окружающего пространства распространяется через несколько материалов. В современных процессорах, например, теплоотводы отводят тепло от микросхемы к громоздкому медному радиатору с воздушным охлаждением.

Исследователи разработали монолитно интегрированный микроканал коллектора (monolithically integrated manifold microchannel), интегрировав EMMC прямо на кристалл. Скрытые каналы встроены прямо под активными областями микросхемы, и охлаждающая жидкость проходит непосредственно под источниками тепла. Чип может изготавливаться в слое GaN. Такой процесс не требует соединительной системы между коллектором и устройством.

В качестве более эффективной альтернативы команда ученых из EPFL разработала недорогой процесс, который интегрирует трехмерную (3D) сеть каналов микрожидкостного охлаждения непосредственно в кремниевый чип.

Поскольку современная полупроводниковая промышленность переходит от плоских устройств к трехмерным и к будущим микросхемам с многослойной архитектурой, то проблема отвода тепла, особенно для силовой электроники, становится особо актуальной. При этом модули силовой электроники перешли на жидкостное охлаждение с помощью охлаждающих пластин или микроканальных систем охлаждения.

Новые разработки методов микрожидкостного охлаждения предусматривают проектирование электроники и охлаждения вместе с самого начала, объединяя устройство и каналы охлаждения в одном чипе. Таким образом, микроканалы находятся непосредственно под активной областью каждого транзисторного устройства, где выделяется наибольшее количество тепла, что увеличивает эффективность охлаждения в 50 раз.

Исследователи EPFL создали единый чип, сочетающий в себе транзистор и микрожидкостную систему охлаждения. Их исследования должны помочь сэкономить энергию и еще больше уменьшить размеры электронных компонентов. (Иллюстрация: Витаутас Навикас / EPFL.)

При изготовлении травятся микрометровые щели в слое нитрида галлия (GaN), нанесенном на кремниевую подложку. Прорези имеют длину 30 мкм и глубину 115 мкм. Используя специальную технику газового травления, щели расширяются в кремниевой подложке, чтобы сформировать каналы, по которым перекачивается жидкий хладагент.

Затем крошечные отверстия в слое нитрида галлия заделываются медью и изготавливаются сверху полупроводниковые устройства. Таким образом создаются микроканалы только на крошечной области пластины, которая контактирует с каждым транзистором. Это делает метод отвода тепла особо эффективным, поскольку появляется возможность извлекать много тепла именно от нагретых элементов из-за их близости.

В сочетании с технологией соединения, которая работает через конструкции в охлаждающих каналах, новые технологии могут позволить разрабатывать более плотные и более мощные интегрированные электронные системы, которым больше не требуются радиаторы или охлаждающие вентиляторы поверх интегральных схем. (Изображение: Ван Эрпа и др.)

Впрочем, не стоит ждать скорого появления чипов на основе GaN с интегрированной системой охлаждения — предстоит ещё решить целый ряд принципиальных моментов вроде стабильности системы, предельных температур и так далее. И, тем не менее, это заметный шаг вперёд к более светлому и холодному будущему.