По мере того, как растет удельная мощность интегральных схем, их охлаждение становится все более сложной задачей. Традиционные методы охлаждения, основанные на применении радиаторов и вентиляторов, уже не будут в состоянии удовлетворить требованиям устройств будущего. Высокие же температуры могут привести к нарушениям в работе микросхем. Между тем, жидкостное охлаждениеможет четко контролировать среднюю температуру и бороться с точками перегрева (hot-spots). Более низкая рабочая температура также приведет к меньшей разнице в тепловом расширении между кремнием и органической подложкой.
Вообще говоря, некоторые методики жидкостного охлаждения уже доступны в продаже или находятся в стадии разработки. В них жидкость циркулирует через модули, закрепленные на чипах, или через микроканалы, закрепленные высокотемпературным способом. Оба подхода имеют свои недостатки: недостаточное снятие тепла с помощью модуля в первом случае и возможное повреждение чипа при высоких температурах (400-700 градусов Цельсия) во втором. Для сравнения, новая методика использует стандартное единое изготовление каналов прямо на интегральной схеме при температуре менее 260 градусов Цельсия.
Исследователи из Центра нанотехнологий (Birck Nanotechnology Center) университета Пурду (Purdue University) разработали новый тип сверхэффективной системы охлаждения, предназанченной изначально для чипов радарных систем и суперкомпьютеров. В этой системе используется теплоемкий жидкий хладагент, протекающий по сетям микроканалов, толщиной в несколько микронов, специально созданных прямо в структуре чипов. И за счет этого новая система продемонстрировала рекордный на сегодняшний день показатель эффективности отвода тепла, который равен 1000 Вт на квадратный сантиметр площади охлаждаемого чипа.
В традиционных системах охлаждения используются металлические радиаторы, усеянные пластинами-теплоотводами, которые крепятся к поверхности чипа напрямую или через систему тепловых трубок. Такой подход позволяет отвести и рассеять в окружающее пространство тепло, выделяющееся при работе чипа, но эффективности такого метода бывает не вполне достаточно для охлаждения узлов высокочастотной и мощной электроники.
“Сейчас вы уже можете упаковать в пределы однокристальной схемы достаточно серьезные вычислительные мощности. Ситуация с охлаждением усугубляется еще тенденцией создания многослойных чипов, где каждый из слоев представляет собой отдельный “плоский” чип” – рассказывает Джастин А. Вейбель (Justin A. Weibel), профессор из университета Пурду, – “Для эффективного охлаждения таких чипов потребуется снабдить каждый слой своим отдельным теплоотводом, без этого невозможно будет использовать его полную мощность из-за проблемы перегрева”.
Следует отметить, что новая система охлаждения была разработана в рамках программы, финансируемой Управлением перспективных исследовательских программ Пентагона DARPA. Задачей этой программы является разработка системы охлаждения, которую можно интегрировать в структуру высокопроизводительных чипов, выделяющих при своей работе не менее киловатта тепла на квадратный сантиметр площади, приблизительно в 10 раз больше, чем выделяют процессоры современных компьютеров.
Изготовление микроканалов происходит следующим образом: вначале происходит вытравливание канавок с глубиной более 100 микрон на обратной стороне кремниевой пластины. Затем на них наносится полимер с высокой вязкостью, который заполняет все канавки. Избытки полимера удаляются стандартной процедурой шлифовки. Наконец, заполненные каналы покрываются сверху пористым слоем, и чип постепенно нагревается в азотной среде. Во время нагревания полимер разлагается и через пористое покрытие выходит наружу, создавая, таким образом, микроканалы. На заключительном этапе пористый слой снова покрывается полимером, чтобы сделать систему влагонепроницаемой.
В дополнение к каналам, ученые также изготовили отверстия и полимерные трубки, через которые охлаждающая система чипа может быть соединена с микроканалами печатной платы.
Исследователи уже продемонстрировали непрерывное течение жидкости в течение нескольких часов без всяких отказов, однако требуются дополнительные проверки, которые подтвердят долгосрочную надежность.
Исключив большие радиаторы, новая технология позволит создавать более плотную упаковку интегральных схем, сделав возможным и трехмерную интеграцию. «В последнем случае трудностью является то, что если у вас чипы расположены друг на друге, то у вас нет возможности охлаждать промежуточные. В то же время, вы можете охлаждать их, если на каждом будут сделаны микроканалы с жидкостью».
“Разработанная нами структура микроканалов и состав охлаждающей жидкости, которая не проводит электрический ток и имеет очень высокую теплоемкость, позволяют встроить новую систему охлаждения практически в любой полупроводниковый чип, независимо от количества слоев в его структуре” – рассказывает профессор Вейбель, – “Такой подход к охлаждению позволит кардинально уменьшить размеры современных радарных систем, создать более эффективные суперкомпьютеры и многое другое не только из военной, но и гражданской области применения”.
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
