วันนี้ความร้อนจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หนาแน่นเป็นทรัพยากรที่มีราคาแพง ระบบทําความเย็นศูนย์ข้อมูลของสหรัฐฯ จะใช้พลังงานและน้ํามากที่สุดเท่าที่ผู้อยู่อาศัยในฟิลาเดลเฟียจะสามารถใช้ระบบได้อย่างเหมาะสม ตอนนี้โดยการรวมช่องทางระบายความร้อนของเหลวเข้ากับชิปเซมิคอนดักเตอร์โดยตรงนักวิจัยหวังว่าจะลดการสูญเสียนี้อย่างน้อยในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงานทําให้มีขนาดเล็กลงราคาถูกลงและใช้พลังงานน้อยลง
ตามเนื้อผ้าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และระบบการจัดการความร้อนได้รับการออกแบบและผลิตแยกต่างหาก Elison Matioli ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าที่ Ecole Polytechnique ในเมืองโลซานสวิตเซอร์แลนด์ สิ่งนี้นําเสนออุปสรรคพื้นฐานในการปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายความร้อนเนื่องจากความร้อนจะต้องเดินทางไกลในหลายวัสดุก่อนที่จะสามารถถอดออกได้ ตัวอย่างเช่นในโปรเซสเซอร์ในปัจจุบันกาลักน้ําความร้อนจากการถ่ายเทวัสดุร้อนจากชิปไปยังครีบทองแดงที่ระบายความร้อนด้วยอากาศขนาดใหญ่
สําหรับโซลูชันที่ประหยัดพลังงานมากขึ้น Matioli และเพื่อนร่วมงานของเขาได้พัฒนากระบวนการต้นทุนต่ําที่ทําให้เครือข่าย 3 มิติของช่องทางระบายความร้อนแบบไมโครฟลูอิดเข้าสู่ชิปเซมิคอนดักเตอร์โดยตรง ของเหลวขจัดความร้อนได้ดีกว่าอากาศและแนวคิดคือการเก็บไมโครมิเตอร์หล่อเย็นให้ห่างจากจุดร้อนบนชิป
เขากล่าวว่า "เราออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และระบบทําความเย็นตั้งแต่เริ่มต้น" ดังนั้น microchannel จึงตั้งอยู่ด้านล่างบริเวณที่ใช้งานของอุปกรณ์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวซึ่งมีอุณหภูมิสูงสุดซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนด้วยปัจจัย 50 พวกเขารายงานแนวคิดการออกแบบร่วมกันของพวกเขาในปัญหาล่าสุดของธรรมชาติ
นักวิจัยเสนอเทคโนโลยีการระบายความร้อนแบบไมโครแชนเนลในช่วงต้นปี 1981 และสตาร์ทอัพอย่าง Cooligy ได้ติดตามแนวคิดของโปรเซสเซอร์มานานหลายปี แต่อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์กําลังย้ายจากอุปกรณ์บวนาไปยังอุปกรณ์สามมิติและไปสู่ชิปในอนาคตที่มีโครงสร้างหลายชั้นทําให้ช่องระบายความร้อนไม่สามารถทําได้ "โซลูชันการระบายความร้อนแบบฝังนี้ไม่เหมาะสําหรับโปรเซสเซอร์และชิปที่ทันสมัยเช่น CPUs" TiweiWei กล่าว "การวิจัยโซลูชั่นการระบายความร้อนอิเล็กทรอนิกส์ที่ศูนย์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ Interuniversity และ KU Luuven ในเบลเยียม "เทคโนโลยีการระบายความร้อนนี้สมเหตุสมผลที่สุดสําหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กําลัง"
วงจรอิเล็กทรอนิกส์กําลังจัดการและแปลงพลังงานไฟฟ้าและใช้กันอย่างแพร่หลายในคอมพิวเตอร์ศูนย์ข้อมูลแผงเซลล์แสงอาทิตย์และยานพาหนะไฟฟ้า พวกเขาใช้อุปกรณ์แยกพื้นที่ขนาดใหญ่ที่ทําจากเซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก๊ปเช่นแกลเลียมไนไตรด์ ความหนาแน่นของพลังงานของอุปกรณ์เหล่านี้พุ่งสูงขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาซึ่งหมายความว่าพวกเขาจะต้อง "เชื่อมต่อกับหม้อน้ํายักษ์" Matoli กล่าว
เมื่อเร็ว ๆ นี้โมดูลอิเล็กทรอนิกส์กําลังได้เปลี่ยนไปใช้การระบายความร้อนด้วยของเหลวไม่ว่าจะผ่านแผ่นเย็นหรือระบบระบายความร้อนด้วยไมโครแชนแนล แต่จนถึงขณะนี้ระบบระบายความร้อนด้วยไมโครแชนแนลทั้งหมดได้รับการผลิตแยกต่างหากแล้วรวมกับชิป ชั้นพันธะเพิ่มความต้านทานความร้อนช่องและอุปกรณ์วงจรไม่จัดตําแหน่งอย่างแน่นหนา
"เรายกระดับไปอีกขั้น" Matoli กล่าวโดยการทําอุปกรณ์และช่องระบายความร้อนในชิปเดียวกัน พวกเขาแกะสลักรอยแตกไมครอนกว้างในชั้นของแกลเลียมไนไตรด์เคลือบบนพื้นผิวซิลิกอน ความยาวร่อง 30μm ลึก 115μm การใช้เทคนิคการแกะสลักก๊าซพิเศษพวกเขาขยายช่องว่างในพื้นผิวซิลิกอนเพื่อสร้างช่องทางที่น้ําหล่อเย็นเหลวผ่าน
นักวิจัยใช้ทองแดงเพื่อปิดผนึกช่องเล็ก ๆ ในชั้นของแกลเลียมไนไตรด์และสร้างอุปกรณ์กับพวกเขา "เรามีไมโครแชนแนลในพื้นที่เล็ก ๆ ของเวเฟอร์ที่สัมผัสกับทรานซิสเตอร์แต่ละตัวเท่านั้น" สิ่งนี้ทําให้เทคโนโลยีมีประสิทธิภาพมากขึ้นเพราะเราสามารถดึงความร้อนจํานวนมากจากบริเวณใกล้เคียง แต่กําลังสูบน้ําที่เราใช้มีขนาดเล็กมาก"
เพื่อเป็นการสาธิตนักวิจัยได้สร้างวงจร rectifier AC-DC ซึ่งประกอบด้วยไดโอด Schottky สี่ตัวซึ่งแต่ละตัวสามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าได้ 1.2kV วงจรเช่นนี้มักจะต้องใช้หม้อน้ําขนาดกําปั้น แต่ชิปวงจรที่มีระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวจะติดตั้งอยู่บนแผงวงจรพิมพ์ขนาดของแฟลชไดรฟ์ USB แผงวงจรประกอบด้วยสามชั้นที่มีช่องแกะสลักลงในนั้นเพื่อส่งมอบน้ําหล่อเย็นให้กับชิป
จอแสดงผลแสดงให้เห็นว่าจุดร้อนที่มีความหนาแน่นของพลังงานมากกว่า 1,700 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตรสามารถระบายความร้อนโดยใช้เพียง 0.57 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตรของพลังงานสูบน้ํา นี่คือการปรับปรุงประสิทธิภาพ 50 เท่าเมื่อเทียบกับการระบายความร้อนของช่องไมโครฟลูอิดที่รายงานก่อนหน้านี้
"ความน่าเชื่อถือของฟิล์มแกลเลียมไนไตรด์และแมวน้ําทองแดงควรได้รับการศึกษาเมื่อเวลาผ่านไป แต่นวัตกรรมการระบายความร้อนนี้เป็นก้าวสําคัญสู่ระบบระบายความร้อนด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงานที่มีต้นทุนต่ํากะทัดรัดและประหยัดพลังงาน