Микрофлюидное охлаждение: новый уровень для электроники

Современные электронные устройства становятся всё более мощными и компактными, что приводит к увеличению плотности тепловых потоков. Это означает, что они выделяют больше тепла на меньшей площади. Повышение температуры может повредить компоненты, вызвать сбои и, в конечном итоге, привести к выходу устройства из строя.

Для предотвращения таких проблем инженеры-электронщики используют системы управления температурным режимом и стратегии охлаждения. Одним из перспективных методов отвода тепла от компактной электроники является микрофлюидное охлаждение. Эта технология предполагает циркуляцию жидкостей по микроскопическим каналам, интегрированным в схемы или расположенным вблизи них, для отвода тепла и снижения температуры внутри устройства.

Исследователи из Пекинского университета и Национальной ключевой лаборатории передовых микро- и нанотехнологий представили новый подход к микрофлюидному охлаждению, который способен более эффективно и результативно отводить тепло по сравнению со многими ранее предложенными методами. Этот подход, описанный в статье, опубликованной в журнале Nature Electronics, основан на недавно разработанном трехслойном микрофлюидном устройстве охлаждения, вытравленном в кремниевой подложке.

«Миниатюризация передовой электроники может приводить к высоким тепловым потокам, которые необходимо рассеивать до того, как они вызовут деградацию или отказ устройства», — пишут Чжиху Ву, Вэй Сяо и их коллеги в своей статье. «Встроенное микрофлюидное охлаждение представляет потенциальную ценность для таких систем, но существующие устройства обычно ограничены тепловыми потоками ниже 2000 Вт/см². Мы представляем стратегию микрофлюидного охлаждения, способную рассеивать тепловые потоки до 3000 Вт/см² при мощности насоса всего 0,9 Вт/см², используя однофазную воду в качестве хладагента».

Разработанное Ву, Сяо и их коллегами устройство охлаждения имеет трехслойную структуру. Первый слой представляет собой конусообразный коллектор, который распределяет воду по всей поверхности чипа, обеспечивая равномерное поступление хладагента в каждый микроканал и, как следствие, равномерное охлаждение устройства.

Средний слой, называемый слоем микроструй, содержит крошечные сопла, формирующие микроструи — высокоскоростные потоки жидкости, направленные непосредственно на поверхность чипа. Это улучшает перенос тепла в устройствах, воздействуя на тепловую границу — область, где накапливается тепло. Третий и финальный слой состоит из микроканалов — крошечных борозд, вытравленных в кремнии, которые отводят нагретый хладагент из интегрированного чипа.

«Наш подход основан на трехъярусной структуре, состоящей из слоя конусообразного коллектора сверху, слоя микроструй посередине и слоя микроканалов с боковыми стенками в форме «зубьев пилы» снизу», — пишут Ву, Сяо и их коллеги. «Структуры вытравлены непосредственно на обратной стороне кремниевой подложки с использованием стандартной технологии MEMS. Более того, коэффициент производительности может достигать 13 000, а рассеиваемая тепловая мощность — 1000 Вт/см² при максимальном повышении температуры чипа на 65 К».

В ходе первоначальных испытаний новый подход к микрофлюидному охлаждению, предложенный исследователями, показал значительно более высокую эффективность отвода тепла по сравнению с большинством ранее представленных стратегий. Кроме того, трехслойное устройство команды требует минимальной мощности насоса (0,9 Вт/см²) для охлаждения чипов и может быть изготовлено в больших масштабах с использованием существующих производственных процессов.

В будущем недавняя работа Ву, Сяо и их коллег может способствовать разработке более компактных, долговечных, высокопроизводительных и энергоэффективных электронных устройств. Более того, предложенное ими устройство охлаждения может быть в скором времени усовершенствовано и дополнительно протестировано с более широким спектром миниатюрных электронных компонентов.