В технологическом институте Джорджии (Georgia Institute of Technology) разработан новый метод жидкостного охлаждения. Он построен на использовании микроскопических каналов в тыльной части высокопроизводительных микросхем. Метод поможет увеличить плотность размещения элементов, улучшить контроль температурного режима и повысить надежность приборов.
В основе технологии лежит интеграция в подложку микросхемы полимерных каналов. Интеграция выполняется в ходе автоматизированного производственного процесса. Применяемая низкотемпературная технология совместима с привычным процессом производства микроэлектронных приборов и обеспечивает формирование микроканалов системы охлаждения без ущерба для электронной части изделия.
Преимущества новой системы охлаждения очевидны: устраняется самое узкое место — плохой тепловой контакт между системой охлаждения и микросхемой. По сути дела, жидкость течет внутри микросхемы. Как сообщается, система совместима с существующими корпусами чипов.
Между тем, по мере повышения мощности интегральных микросхем, проблема эффективного охлаждения встает в полный рост. Обычные методы охлаждения, эффективность которых зависит от свойств радиатора и качества теплового контакта между ним и микросхемой, не вполне могут удовлетворить потребности даже современных систем, что уж говорить о будущих. Критическим порогом для них может стать внедрение трехмерных многокристальных модулей, в которых особенно высока плотность рассеиваемой мощности (количества тепла, выделяемого на единицу объема).
В настоящее время несколько систем жидкостного охлаждения уже находятся на этапе промышленного внедрения или в исследовательской стадии, но жидкость в этих проектах подается либо через отдельные модули охлаждения, прикрепленные к интегральным схемам извне, либо по каналам, прикрепленным к подложке с использованием высокотемпературных методов. Оба подхода имеют недостатки. В первом случае — это относительно невысокая эффективность, а во втором — риск повреждения микросхемы в процессе прикрепления каналов, который происходит при высокой температуре.
Новый подход обеспечивает простое изготовление каналов непосредственно в интегральных схемах, используя процесс, совместимый с технологией CMOS, при температуре ниже +260ºC.
В ходе работы, в дополнение к охлаждающим каналам в микросхемах, исследователи также формировали отверстия, которыми система чипа подключается к отверстиям каналов, внедренных в печатную плату. Было показано, что такое подключение возможно с использованием существующего автоматизированного процесса, известного под названием "крепление методом перевёрнутого кристалла" (flip-chip bonding).
В качестве хладагента в системе может применяться деионизированная вода. Автономные системы охлаждения могли бы использовать для перекачки хладагента микроскопические помпы размером около сантиметра, а для более сложного оборудования могли бы быть задействованы централизованные системы циркуляции. Микроканалы рассчитаны на давление около двух атмосфер (приблизительно такое давление имеет воздух в шинах легкового автомобиля).
Расчеты показывают, что система в состоянии отвести около 100 Вт энергии с одного квадратного сантиметра поверхности. Эта величина зависит от скорости потока хладагента и его давления. Кроме того, чем меньше диаметр микроканалов, тем более эффективным будет теплообмен.
Поскольку стоимость системы пока высока, ожидается, что сначала технология найдет применение в мощных процессорах. Для практической реализации необходимы дополнительные усилия: пока исследователям удалось обеспечить безотказную циркуляцию хладагента в течение нескольких часов.
Источник: Georgia Institute of Technology