ทุกวันนี้ ความร้อนที่เกิดจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความหนาแน่นสูงทำให้สิ้นเปลืองทรัพยากรที่มีราคาแพง เพื่อให้ระบบมีอุณหภูมิที่เหมาะสมเพื่อประสิทธิภาพการประมวลผลสูงสุด ระบบระบายความร้อนในสหรัฐอเมริกาจะใช้พลังงานและน้ำมากเท่ากับผู้อยู่อาศัยในฟิลาเดลเฟีย ในตอนนี้ ด้วยการรวมช่องระบายความร้อนด้วยของเหลวเข้ากับชิปเซมิคอนดักเตอร์โดยตรง นักวิจัยหวังว่าจะลดการสูญเสียอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเป็นอย่างน้อย ทำให้มีขนาดเล็กลง ต้นทุนต่ำลง และใช้พลังงานน้อยลง
ตามเนื้อผ้า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และระบบการจัดการความร้อนได้รับการออกแบบและผลิตแยกต่างหาก Elison Matioli ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าที่สถาบันเทคโนโลยี Ecole ในเมืองโลซาน ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ กล่าว สิ่งนี้ทำให้เกิดอุปสรรคพื้นฐานในการปรับปรุงประสิทธิภาพการทำความเย็น เนื่องจากความร้อนจะต้องเดินทางเป็นระยะทางที่ค่อนข้างยาวในวัสดุหลายชนิดจึงจะกำจัดออก ตัวอย่างเช่น ในปัจจุบันโปรเซสเซอร์'s กาลักน้ำวัสดุระบายความร้อนถ่ายโอนความร้อนจากชิปไปยังฮีตซิงก์ทองแดงขนาดใหญ่ระบายความร้อนด้วยอากาศ
เพื่อให้ได้โซลูชันที่ประหยัดพลังงานมากขึ้น Matioli และเพื่อนร่วมงานของเขาได้พัฒนากระบวนการต้นทุนต่ำที่ทำให้เครือข่าย 3D ของช่องระบายความร้อนไมโครฟลูอิดิกเข้าสู่ชิปเซมิคอนดักเตอร์โดยตรง ของเหลวสามารถขจัดความร้อนได้ดีกว่าอากาศ แนวคิดคือให้ไมโครมิเตอร์น้ำหล่อเย็นอยู่ห่างจากจุดร้อนของชิป
แต่ต่างจากเทคโนโลยีการทำความเย็นแบบไมโครฟลูอิดิกที่รายงานก่อนหน้านี้ เขากล่าวว่า “เราออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และระบบทำความเย็นตั้งแต่เริ่มต้น” ดังนั้นไมโครแชนเนลจึงอยู่ด้านล่างพื้นที่แอคทีฟของอุปกรณ์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวซึ่งมีอุณหภูมิสูงสุด ซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อน 50 เท่า พวกเขารายงานแนวคิดการออกแบบทั่วไปใน"Nature" นิตยสาร.
นักวิจัยได้เสนอเทคโนโลยีการระบายความร้อนด้วยไมโครแชนเนลตั้งแต่ช่วงต้นปี 2524 และบริษัทที่เริ่มต้นใหม่ เช่น Cooligy ก็ได้ดำเนินตามแนวคิดของโปรเซสเซอร์เช่นกัน อย่างไรก็ตาม อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์กำลังเปลี่ยนจากอุปกรณ์ระนาบเป็นอุปกรณ์สามมิติ และกำลังมุ่งสู่ชิปในอนาคตที่มีโครงสร้างหลายชั้น ซึ่งทำให้ช่องระบายความร้อนไม่สามารถทำได้"โซลูชันระบายความร้อนแบบฝังชนิดนี้ไม่เหมาะสำหรับโปรเซสเซอร์และชิปที่ทันสมัย เช่น CPU," Tiwei Wei ผู้ศึกษาโซลูชันการทำความเย็นอิเล็กทรอนิกส์ที่ Interuniversity Microelectronics Center และ KU Luuven ในเบลเยียมกล่าว"ในทางกลับกัน เทคโนโลยีการระบายความร้อนแบบนี้เหมาะสมที่สุดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง" เขาพูดว่า.
วงจรไฟฟ้ากำลังจัดการและแปลงพลังงานไฟฟ้าซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ เช่น คอมพิวเตอร์ ศูนย์ข้อมูล แผงโซลาร์เซลล์ และยานพาหนะไฟฟ้า พวกเขาใช้อุปกรณ์แยกส่วนขนาดใหญ่ที่ทำจากเซมิคอนดักเตอร์แบบแถบกว้าง เช่น แกลเลียมไนไตรด์ ความหนาแน่นของพลังงานของอุปกรณ์เหล่านี้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์เหล่านี้จะต้อง"เชื่อมต่อกับฮีตซิงก์ขนาดใหญ่" มาโตลีกล่าว
เมื่อเร็วๆ นี้ โมดูลอิเล็กทรอนิกส์กำลังหันไปใช้การระบายความร้อนด้วยของเหลว ไม่ว่าจะผ่านแผ่นทำความเย็นหรือระบบทำความเย็นแบบไมโครแชนเนล อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน ระบบระบายความร้อนแบบไมโครแชนเนลทั้งหมดได้รับการผลิตแยกต่างหากและรวมเข้ากับชิป ชั้นพันธะเพิ่มความต้านทานความร้อน และช่องและอุปกรณ์วงจรไม่ชิดกัน
& quot;เราก้าวไปอีกระดับแล้ว" Matoli กล่าวโดยการผลิตอุปกรณ์และช่องระบายความร้อนในชิปตัวเดียวกัน พวกเขากัดรอยแตกขนาดไมครอนในชั้นแกลเลียมไนไตรด์ที่เคลือบบนพื้นผิวซิลิกอน ร่องผ่ายาว30μmและลึก115μm ด้วยการใช้เทคโนโลยีการกัดกรดแบบพิเศษ พวกมันขยายช่องว่างบนพื้นผิวซิลิกอนเพื่อสร้างช่องทางที่สารหล่อเย็นเหลวไหลผ่าน
จากนั้นนักวิจัยได้ใช้ทองแดงเพื่อปิดผนึกช่องเปิดเล็กๆ ในชั้นแกลเลียมไนไตรด์และอุปกรณ์ที่ประดิษฐ์ขึ้น เขาพูดว่า:"เรามีเพียงไมโครแชนเนลในพื้นที่เล็กๆ ของเวเฟอร์ และไมโครแชนเนลเหล่านี้ติดต่อกับทรานซิสเตอร์ทุกตัว ทำให้เทคโนโลยีนี้มีประสิทธิภาพมากขึ้นเพราะเราสามารถดึงความร้อนออกจากบริเวณใกล้เคียงได้มากแต่การสูบน้ำที่เราใช้ กำลังไฟฟ้ามีขนาดเล็กมาก"
ในการสาธิต นักวิจัยได้สร้างวงจรเรียงกระแส AC-DC ซึ่งประกอบด้วยไดโอด Schottky สี่ตัว ไดโอดแต่ละตัวสามารถรองรับ 1.2kV วงจรแบบนี้มักจะต้องใช้ฮีตซิงก์ขนาดเท่ากำปั้น แต่ชิปวงจรที่รวมเข้ากับระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวจะติดตั้งอยู่บนแผงวงจรพิมพ์ที่มีขนาดเท่ากับแฟลชไดรฟ์ USB แผงวงจรประกอบด้วยสามชั้นพร้อมช่องสลักไว้เพื่อส่งของเหลวหล่อเย็นไปยังชิป
จอแสดงผลแสดงให้เห็นว่าจุดร้อนที่มีความหนาแน่นพลังงานมากกว่า 1700 W/cm² สามารถระบายความร้อนด้วยกำลังสูบเพียง 0.57 W/cm² เมื่อเทียบกับการระบายความร้อนช่องไมโครฟลูอิดิกที่รายงานก่อนหน้านี้ ประสิทธิภาพจะดีขึ้น 50 เท่า
Wei กล่าวว่า"ควรศึกษาความน่าเชื่อถือของฟิล์มแกลเลียมไนไตรด์และชั้นปิดผนึกทองแดงเมื่อเวลาผ่านไป แต่โซลูชันการระบายความร้อนที่เป็นนวัตกรรมใหม่นี้เป็นก้าวไปสู่ & quot;ระบบทำความเย็นอิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าที่มีต้นทุนต่ำ กะทัดรัดเป็นพิเศษ และประหยัดพลังงาน" ก้าวไปข้างหน้าอย่างยิ่งใหญ่"