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.
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.
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.
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.
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.
