جامعة بكين تطور نظام تبريد مدمج يرفع كفاءة تبديد حرارة الرقائق

طور باحثو جامعة بكين نظام تبريد مدمج يستخدم سائلاً عازلاً للكهرباء لإزالة الحرارة من الرقائق الإلكترونية. وأظهرت الاختبارات الأولية أن التدفق الحراري الحرج للنظام بلغ 1,570 واط لكل سنتيمتر مربع. يضع التصميم قنوات تبريد دقيقة بالقرب من مناطق التسخين في ركيزة الرقاقة، فعندما يمر السائل عبر هذه القنوات يمتص الحرارة ويتحول جزئياً إلى بخار، ثم يُطرد عبر مخارج مصممة خصيصاً.

تحتوي الدوائر المتكاملة على عناصر مترابطة لمعالجة المعلومات أو التحكم في الإشارات الكهربائية. يولد تشغيلها حرارة، مما يجعل التبريد الفعال أمراً حاسماً للأداء والتشغيل المستقر طويل الأمد. يعالج التبريد المدمج هذه المشكلة بنحت قنوات دقيقة مباشرة في المادة الداعمة للدائرة، لتوصيل سائل التبريد إلى مواضع تركز الحرارة حيث يمتصها ويحملها بعيداً. للماء خصائص حرارية جيدة، لكن موصليته الكهربائية المحتملة تتطلب احتياطات لحماية عناصر الرقاقة. وأشار الباحثون وي شياو، وو تشيهو وزملاؤهم إلى أن "التبريد المدمج — أي نحت هياكل ميكروفلويديكية مباشرة على ركيزة الرقاقة لتوصيل مبرد سائل إلى قرب النقاط الساخنة — يمكن أن يستخدم الماء مبرداً، محققاً تبديد تدفق حراري يصل إلى 3,000 W cm−2".

مبدأ تقنية التبريد المدمج

اختار الفريق استخدام HFE-7100 مبرداً عازلاً، وصمم النظام بناءً على عملية تحول هذا السائل من الحالة السائلة إلى البخار. صنع الباحثون هيكل التبريد باستخدام تقنيات مستخدمة على نطاق واسع في تصنيع الإلكترونيات. بالقرب من منطقة التسخين في رقاقة الاختبار، صمموا مجمعاً (مانيفولد) لتوزيع المبرد الداخل وجمع السائل الخارج من القنوات، بالإضافة إلى إنشاء القنوات نفسها. يجمع هذا التكوين بين مداخل أفقية ومخارج رأسية. يدخل السائل الجديد أفقياً لتجديد المبرد، بينما تساعد القنوات الرأسية على طرد البخار. يمتص HFE-7100 الحرارة عند غليانه داخل القنوات، ثم يُطرد خليط السائل والغاز الناتج عبر المخارج حاملاً الطاقة بعيداً.

قال الباحثون: "جوهر تعزيز نقل الحرارة يكمن في المجمع الأفقي المصمم هندسياً، الذي يتميز بمداخل أفقية تعزز تجديد السائل، ومخارج رأسية تسرع طرد البخار". وسجلت الاختبارات الأولية تدفقاً حرارياً حرجاً بلغ 1,570 واط لكل سنتيمتر مربع، وهذه القيمة تمثل النقطة الحرجة التي يتوقف عندها الغليان عن توفير تبريد فعال. يصف هذا الرقم نقل الحرارة لكل وحدة مساحة، لا إجمالي الحرارة المزالة من الرقاقة بأكملها. وأشار الباحثون إلى أن تقنيات التبريد العازلة السابقة كانت عادة محدودة بأقل من 1,000 واط لكل سنتيمتر مربع، حتى مع التبريد المسبق وزيادة الضغط المسبق.

التطبيقات المستقبلية والتحديات

أشار الباحثون إلى أن "طريقتنا تستخدم تقنية الأنظمة الميكروكهروميكانيكية، مما يتيح الدمج المباشر مع عمليات أشباه الموصلات القياسية والتوسع لمنتجات إلكترونية مستقبلية". ولا تزال هناك حاجة لمزيد من الاختبارات على أجهزة متاحة تجارياً وعلى التشغيل طويل الأمد لتحديد الأداء والموثوقية. ستوضح هذه التجارب مدى فعالية التصميم في التعامل مع الحرارة في أنظمة إلكترونية فعلية. تقلل السوائل العازلة خطر الدوائر القصيرة، وإن كان أداؤها التبريدي عادة أقل. ونُشر البحث في دورية Nature Electronics، ويناقش مقايضة في تبريد الرقائق: الماء يزيل الحرارة بكفاءة، لكن الشوائب المذابة قد تجعله موصلاً للكهرباء.

تأثير تقنية التبريد الجديدة على المنتجات الإلكترونية

مع تحسن أداء الأجهزة الإلكترونية، تبرز مشكلة تبديد الحرارة بشكل متزايد، ويوفر نظام التبريد المدمج حلاً فعالاً. لا ترفع هذه التقنية التدفق الحراري فحسب، بل تقلل أيضاً خطر الدوائر القصيرة، مما يمنح مزايا محتملة لتصميم المنتجات الإلكترونية المستقبلية. وعلى الرغم من أن نتائج الاختبارات الحالية تظهر أداءً تبريدياً جيداً، إلا أنه لا يزال يلزم إجراء اختبارات طويلة الأمد قبل التطبيق التجاري لضمان الموثوقية والأداء، وهو أمر حاسم لدفع تطور التكنولوجيا الإلكترونية مستقبلاً.