北京大学が嵌入式冷却システムを開発 チップの放熱性能を向上

北京大学の研究者たちが嵌入式冷却システムを開発し、電気絶縁液体を用いて電子チップから熱を除去する。初期テストでは、同システムの臨界熱流束が1平方センチメートルあたり1,570ワットに達したことを示した。設計では、微小な冷却チャネルがチップ基板の加熱領域の近くに配置され、液体がこれらのチャネルを通過する際に熱を吸収し、一部が蒸気へと相変化し、特別に配置された出口を通じて排出される。

集積回路は、情報を処理したり電気信号を制御したりするために相互接続された素子で構成される。その動作は熱を発生させるため、効果的な冷却は性能と長期的な安定動作に不可欠である。嵌入式冷却は、回路を支える材料に微細なチャネルを直接刻むことでこの問題に対処し、冷却液を熱が集中する場所に届けて熱を吸収・除去する。水は優れた熱特性を持つが、その潜在的な電気伝導性のためにチップ素子を保護するための予防措置が必要となる。研究者の魏曉、吳知虎およびその共同研究者たちは、「嵌入式冷却——すなわちチップ基板上に直接マイクロ流体構造をエッチングし、液体冷却剤をホットスポットの近くまで送る——により、水を冷却剤として用いて最大3,000 W cm−2の熱流束を放散できる」と指摘している。

嵌入式冷却技術の原理

チームはHFE-7100を誘電冷却剤として選択し、その液体が液体から蒸気へ相変化する過程に基づいてシステムを設計した。研究者たちは電子製造で広く用いられている技術を用いて冷却構造を製造した。テストチップの加熱領域の近くでは、チャネルの作成に加えて、流入する冷却液を分配し、チャネルから流出する液体を回収するマニフォールドを設計した。この構成は水平入口と垂直出口を組み合わせている。新鮮な液体が水平に流入して冷却剤を補充し、垂直チャネルが蒸気の排出を助ける。HFE-7100はチャネル内で沸騰する際に熱を吸収し、生成された液体・気体混合物が出口を通じて排出され、エネルギーを持ち去る。

研究者たちは、「熱伝達強化の核心は、液体補給を促進する水平入口と蒸気排出を加速する垂直出口を備えた、設計された水平マニフォールドにある」と述べている。初期テストで記録された臨界熱流束は1平方センチメートルあたり1,570ワットであり、この値は沸騰がもはや効果的な冷却を提供しなくなる臨界点を示す。この数値は単位面積あたりの熱伝達を表し、チップ全体の総熱除去量ではない。研究者たちの報告によれば、従来の誘電冷却技術は通常、予冷却と予加圧を行っても1平方センチメートルあたり1,000ワット未満に制限されていた。

将来の応用と課題

研究者たちは、「我々の手法はMEMS技術を用いるため、標準的な半導体プロセスと直接統合でき、将来の電子製品への拡張が可能である」と指摘している。市販デバイスおよび長期運転に関するさらなるテストは、性能と信頼性を確定するために依然として必要である。これらの実験により、設計が実際の電子システムでいかに効果的に熱を処理できるかが明らかになるだろう。誘電液体は短絡リスクを低減するが、その冷却性能は一般的に低い。この研究は『Nature Electronics』誌に掲載され、チップ冷却におけるトレードオフ、すなわち水は効果的に熱を除去できるが、溶解した不純物により電気伝導性を持つ可能性があるという問題を論じている。

新冷却技術が電子製品に与える影響

電子デバイスの性能向上に伴い、放熱問題がますます顕著になっており、嵌入式冷却システムは有効な解決策を提供する。この技術は熱流束を向上させるだけでなく、短絡リスクを低減し、将来の電子製品設計に潜在的な優位性をもたらす。現時点のテスト結果は良好な冷却性能を示しているが、商業応用の前には、信頼性と性能を確保するためのさらなる長期テストが必要であり、これは将来の電子技術の発展を推進する上で極めて重要である。