De nos jours, la chaleur générée par les équipements électroniques denses est une consommation de ressources coûteuse. Afin de maintenir le système à la bonne température pour des performances informatiques optimales, le système de refroidissement aux États-Unis consomme autant d'énergie et d'eau que tous les habitants de Philadelphie. Désormais, en intégrant le canal de refroidissement liquide directement dans la puce semi-conductrice, les chercheurs espèrent au moins réduire cette perte d'équipement électronique de puissance, en le rendant plus petit, moins coûteux et moins énergivore.
Traditionnellement, les appareils électroniques et les systèmes de gestion thermique sont conçus et fabriqués séparément, explique Elison Matioli, professeur de génie électrique à l'Ecole Institute of Technology de Lausanne, en Suisse. Cela constitue un obstacle fondamental à l'amélioration de l'efficacité du refroidissement, car la chaleur doit parcourir une distance relativement longue dans plusieurs matériaux pour être éliminée. Par exemple, dans les processeurs&d'aujourd'hui, les siphons de matériau thermique transfèrent la chaleur de la puce au dissipateur thermique en cuivre refroidi par air.
Afin d'obtenir une solution plus économe en énergie, Matioli et ses collègues ont développé un procédé à faible coût qui place le réseau 3D de canaux de refroidissement microfluidiques directement dans la puce semi-conductrice. Le liquide peut mieux évacuer la chaleur que l'air. L'idée est de garder le micromètre de liquide de refroidissement loin des points chauds de la puce.
Mais contrairement à la technologie de refroidissement microfluidique signalée précédemment, il a déclaré : GG "Nous concevons des appareils électroniques et des systèmes de refroidissement depuis le début." Par conséquent, le microcanal est situé en dessous de la zone active de chaque dispositif à transistor, où sa température est la plus élevée, ce qui augmente les performances de refroidissement de 50 fois. Ils ont rapporté leur concept de design commun dans le récent"Nature" magazine.
Des chercheurs ont proposé une technologie de refroidissement à micro-canaux dès 1981, et des start-ups telles que Cooligy ont également poursuivi le concept de processeurs. Cependant, l'industrie des semi-conducteurs passe des dispositifs planaires aux dispositifs tridimensionnels, et se dirige vers les futures puces avec des structures multicouches, ce qui rend les canaux de refroidissement peu pratiques."Ce type de solution de refroidissement embarqué ne convient pas aux processeurs et puces modernes, tels que les CPU," a déclaré Tiwei Wei, qui étudie les solutions de refroidissement électronique au Centre interuniversitaire de microélectronique et à la KU Luuven en Belgique."Au contraire, ce type de technologie de refroidissement est le plus logique pour l'électronique de puissance," il a dit.
Les circuits électroniques de puissance gèrent et convertissent l'énergie électrique, qui est largement utilisée dans des domaines tels que les ordinateurs, les centres de données, les panneaux solaires et les véhicules électriques. Ils ont utilisé des dispositifs discrets à grande surface constitués de semi-conducteurs à large bande interdite tels que le nitrure de gallium. La densité de puissance de ces appareils a fortement augmenté au cours des dernières années, ce qui signifie qu'ils doivent être"raccordés à un énorme dissipateur thermique," dit Matoli.
Récemment, les modules électroniques de puissance se sont tournés vers le refroidissement liquide, que ce soit par des plaques froides ou des systèmes de refroidissement à micro-canaux. Cependant, à ce jour, tous les systèmes de refroidissement à micro-canaux ont été fabriqués séparément puis combinés avec des puces. La couche de liaison augmente la résistance à la chaleur, et le canal et le dispositif de circuit ne sont pas étroitement alignés.
GG quot;Nous sommes passés au niveau supérieur," Matoli a déclaré, en fabriquant des équipements et des canaux de refroidissement dans la même puce. Ils ont gravé des fissures de l'ordre du micron dans la couche de nitrure de gallium déposée sur le substrat de silicium. La fente mesure 30μm de long et 115μm de profondeur. Utilisant une technologie spéciale de gravure au gaz, ils élargissent l'espace sur le substrat de silicium pour former un canal à travers lequel passe le liquide de refroidissement.
Ensuite, les chercheurs ont utilisé du cuivre pour sceller les minuscules ouvertures de la couche de nitrure de gallium et y ont fabriqué des dispositifs. Il a dit :&"Nous n'avons que des microcanaux dans de minuscules zones de la plaquette, et ces microcanaux sont en contact avec chaque transistor. Cela rend cette technologie plus efficace car nous pouvons extraire beaucoup de chaleur à proximité, mais le pompage que nous utilisons est très faible."
À titre de démonstration, les chercheurs ont réalisé un circuit redresseur AC-DC composé de quatre diodes Schottky, chaque diode pouvant supporter une tension de 1,2 kV, un circuit comme celui-ci nécessite généralement un dissipateur thermique de la taille d'un poing. Mais la puce de circuit intégrée au système de refroidissement liquide est montée sur une carte de circuit imprimé de la taille d'une clé USB. La carte de circuit imprimé se compose de trois couches avec des canaux gravés dessus pour fournir le liquide de refroidissement à la puce.
L'affichage montre que les points chauds avec une densité de puissance de plus de 1700 W/cm² peuvent être refroidis avec seulement 0,57 W/cm² de puissance de pompage. Par rapport au refroidissement par canal microfluidique précédemment rapporté, les performances sont améliorées de 50 fois.
Wei a dit,&"La fiabilité du film de nitrure de gallium et de la couche d'étanchéité en cuivre doit être étudiée au fil du temps. Mais cette solution de refroidissement innovante est un pas vers un système de refroidissement électronique de puissance&à faible coût, ultra-compact et économe en énergie." Un grand pas en avant."
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