- La Universidad de Pekín desarrolla un sistema de refrigeración integrado que mejora la disipación de calor de los chips.
- El sistema utiliza un líquido eléctricamente aislante para eliminar calor; las pruebas preliminares muestran un flujo térmico crítico de 1,570 vatios.
- Los investigadores eligieron HFE-7100 como refrigerante y diseñaron canales para optimizar la transferencia de calor.
- La tecnología puede integrarse con procesos semiconductores estándar, aunque se requieren más pruebas para validar su rendimiento.
Investigadores de la Universidad de Pekín han desarrollado un sistema de refrigeración integrado que emplea un líquido eléctricamente aislante para extraer calor de chips electrónicos. Las pruebas preliminares indican que el sistema alcanza un flujo térmico crítico de 1,570 vatios por centímetro cuadrado. El diseño sitúa minúsculos canales de refrigeración junto a las zonas de calentamiento del sustrato del chip; al circular el líquido por estos canales, absorbe calor y se transforma parcialmente en vapor, que luego se evacúa por salidas especialmente configuradas.
Los circuitos integrados contienen elementos interconectados que procesan información o controlan señales eléctricas. Su funcionamiento genera calor, por lo que una refrigeración eficaz es esencial para el rendimiento y la estabilidad a largo plazo. La refrigeración integrada aborda este problema tallando canales microscópicos directamente en el material que soporta el circuito, llevando el refrigerante a los puntos donde se concentra el calor para que lo absorba y lo evacúe. El agua tiene buenas propiedades térmicas, pero su potencial conductividad eléctrica obliga a tomar precauciones para proteger los componentes del chip. Los investigadores Wei Xiao, Wu Zhihu y sus colegas señalan: «La refrigeración integrada —es decir, el grabado de estructuras microfluídicas directamente sobre el sustrato del chip para llevar refrigerante líquido cerca de los puntos calientes— puede utilizar agua como refrigerante y lograr una disipación de flujo térmico de hasta 3.000 W cm−2».
Principio de la tecnología de refrigeración integrada
El equipo eligió HFE-7100 como refrigerante dieléctrico y diseñó el sistema basándose en el proceso de cambio de fase del líquido a vapor. Los investigadores fabricaron la estructura de refrigeración con técnicas ampliamente utilizadas en la fabricación electrónica. Junto a la zona de calentamiento del chip de prueba, además de crear los canales, diseñaron un colector para distribuir el refrigerante entrante y recoger el que sale de los canales. Esta configuración combina entradas horizontales y salidas verticales. El refrigerante fresco entra horizontalmente para reponer el fluido, mientras que los canales verticales facilitan la evacuación del vapor. El HFE-7100 absorbe calor al hervir dentro de los canales, y la mezcla líquido-gas resultante se expulsa por las salidas, llevándose la energía.
Los investigadores afirman: «La clave para mejorar la transferencia de calor reside en el colector horizontal diseñado a medida, que incorpora entradas horizontales para favorecer la reposición del líquido y salidas verticales que aceleran la evacuación del vapor»". Las pruebas preliminares registraron un flujo térmico crítico de 1.570 vatios por centímetro cuadrado, valor que marca el umbral a partir del cual la ebullición deja de proporcionar refrigeración eficaz. Esta cifra describe la transferencia de calor por unidad de superficie, no la cantidad total de calor extraída del chip. Según el informe de los investigadores, las tecnologías dieléctricas de refrigeración anteriores solían limitarse a menos de 1.000 vatios por centímetro cuadrado, incluso con preenfriamiento y prepresurización.
Aplicaciones y retos futuros
Los investigadores señalan: «Dado que nuestro enfoque emplea tecnología MEMS, puede integrarse directamente con los procesos semiconductores estándar y escalarse para futuros dispositivos electrónicos»". Siguen siendo necesarias más pruebas en dispositivos disponibles comercialmente y en operación a largo plazo para determinar el rendimiento y la fiabilidad. Estos experimentos permitirán dilucidar cómo el diseño gestiona eficazmente el calor en sistemas electrónicos reales. Los líquidos dieléctricos reducen el riesgo de cortocircuito, aunque su rendimiento de refrigeración suele ser inferior. El estudio, publicado en la revista Nature Electronics, aborda una disyuntiva en la refrigeración de chips: el agua elimina calor eficazmente, pero las impurezas disueltas pueden volverla conductora.
Impacto de la nueva tecnología de refrigeración en los productos electrónicos
A medida que aumenta el rendimiento de los dispositivos electrónicos, la disipación de calor se vuelve cada vez más crítica, y los sistemas de refrigeración integrada ofrecen una solución eficaz. Esta tecnología no solo incrementa el flujo térmico, sino que también reduce el riesgo de cortocircuito, lo que brinda ventajas potenciales para el diseño de futuros productos electrónicos. Aunque los resultados actuales de las pruebas muestran un buen rendimiento de refrigeración, antes de su aplicación comercial serán necesarias más pruebas a largo plazo para garantizar su fiabilidad y prestaciones, algo esencial para impulsar el desarrollo de la electrónica del futuro.