มหาวิทยาลัยปักกิ่งพัฒนาระบบทำความเย็นแบบฝังตัว เพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนของชิป

นักวิจัยของมหาวิทยาลัยปักกิ่งได้พัฒนาระบบทำความเย็นแบบฝังตัว ซึ่งใช้ของเหลวกันไฟฟ้าระบายความร้อนจากชิปอิเล็กทรอนิกส์ การทดสอบเบื้องต้นแสดงให้เห็นว่าระบบดังกล่าวมีอัตราสัมประสิทธิ์ความร้อนสำคัญถึง 1,570 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ในการออกแบบได้วางช่องทางทำความเย็นขนาดเล็กไว้ใกล้พื้นที่ให้ความร้อนของฐานชิป เมื่อของเหลวไหลผ่านช่องทางเหล่านี้ จะดูดซับความร้อนและเปลี่ยนสถานะเป็นไอบางส่วน จากนั้นจะถูกระบายออกผ่านช่องทางออกที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ

วงจรอินทิเกรตประกอบด้วยส่วนประกอบที่เชื่อมต่อกัน ใช้สำหรับประมวลผลข้อมูลหรือควบคุมสัญญาณไฟฟ้า การทำงานจะสร้างความร้อน ดังนั้นการทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพจึงสำคัญต่อประสิทธิภาพและการทำงานที่เสถียรในระยะยาว การทำความเย็นแบบฝังตัวแก้ปัญหานี้โดยการสร้างช่องทางขนาดไมโครโดยตรงในวัสดุที่รองรับวงจร เพื่อนำของเหลวทำความเย็นไปยังจุดที่ความร้อนสะสม ทำให้สามารถดูดซับและนำความร้อนออกได้ น้ำมีคุณสมบัติทางความร้อนที่ดี แต่ความนำไฟฟ้าที่อาจเกิดขึ้นต้องมีมาตรการป้องกันเพื่อป้องกันส่วนประกอบของชิป นักวิจัย Wei Xiao, Wu Zhihu และคณะได้ระบุว่า: "การทำความเย็นแบบฝังตัว — หมายถึงการกัดเซรามิกโครงสร้างไมโครฟลูอิดโดยตรงบนฐานชิป เพื่อส่งสารทำความเย็นของเหลวไปยังบริเวณใกล้จุดร้อน — สามารถใช้น้ำเป็นสารทำความเย็น ได้รับการระบายความร้อนสูงถึง 3,000 W cm−2"

หลักการทำงานของเทคโนโลยีทำความเย็นแบบฝังตัว

ทีมงานเลือกใช้ HFE-7100 เป็นสารทำความเย็นแบบไดอิเลกทริก และออกแบบระบบตามกระบวนการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นไอของของเหลวนี้ นักวิจัยใช้เทคโนโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตอิเล็กทรอนิกส์เพื่อสร้างโครงสร้างทำความเย็น ใกล้พื้นที่ให้ความร้อนของชิปทดสอบ นอกจากการสร้างช่องทางแล้ว ยังออกแบบแมนิโฟลด์ (manifold) เพื่อแจกจ่ายของเหลวทำความเย็นที่ไหลเข้า และเก็บของเหลวที่ไหลออกจากช่องทาง การจัดวางนี้รวมช่องทางเข้าแนวนอนและช่องทางออกแนวตั้ง ของเหลวใหม่ไหลเข้าทางแนวนอนเพื่อเติมสารทำความเย็น ในขณะที่ช่องทางแนวตั้งช่วยให้ไอไหลออกได้ HFE-7100 ดูดซับความร้อนขณะเดือดในช่องทาง ส่วนผสมของเหลว-ก๊าซที่เกิดขึ้นจะถูกระบายออกผ่านช่องทางออก พร้อมกับนำพลังงานออกไปด้วย

นักวิจัยระบุว่า: "แก่นของการเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนอยู่ที่แมนิโฟลด์แนวนอนที่ออกแบบมาอย่างเป็นระบบ ซึ่งมีช่องทางเข้าแนวนอนเพื่อส่งเสริมการเติมของเหลว และช่องทางออกแนวตั้งที่เร่งการระบายไอ" การทดสอบเบื้องต้นบันทึกอัตราสัมประสิทธิ์ความร้อนสำคัญไว้ที่ 1,570 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ค่านี้ระบุจุดสำคัญที่การเดือดไม่ให้การทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพอีกต่อไป ค่านี้อธิบายถึงการถ่ายเทความร้อนต่อหน่วยพื้นที่ ไม่ใช่ปริมาณความร้อนทั้งหมดที่นำออกจากชิปทั้งหมด นักวิจัยรายงานว่า เทคโนโลยีทำความเย็นแบบไดอิเลกทริกในอดีตมักถูกจำกัดอยู่ที่ต่ำกว่า 1,000 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร แม้จะมีการทำความเย็นล่วงหน้าและการกดดันล่วงหน้า

การประยุกต์ใช้ในอนาคตและความท้าทาย

นักวิจัยระบุว่า: "เนื่องจากวิธีของเราใช้เทคโนโลยีระบบไมโครอิเล็กโทรเมคานิคอล (MEMS) จึงสามารถรวมเข้ากับกระบวนการผลิตครึ่งตัวนำมาตรฐานได้โดยตรง และขยายใช้สำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต" การทดสอบเพิ่มเติมกับอุปกรณ์ที่มีขายในตลาดและการทำงานในระยะยาวยังคงจำเป็น เพื่อกำหนดประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ การทดสอบเหล่านี้จะช่วยชี้แจงว่าการออกแบบดังกล่าวจัดการกับความร้อนในระบบอิเล็กทรอนิกส์จริงได้อย่างไร ของเหลวแบบไดอิเลกทริกช่วยลดความเสี่ยงของการลัดวงจร แม้ว่าประสิทธิภาพการทำความเย็นจะมักต่ำกว่า งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Electronics สำรวจประเด็นการแลกเปลี่ยนในการทำความเย็นชิป: น้ำสามารถระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่สิ่งปนเปื้อนที่ละลายอยู่อาจทำให้มีความนำไฟฟ้า

ผลกระทบของเทคโนโลยีทำความเย็นใหม่ต่อผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์

พร้อมกับประสิทธิภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เพิ่มขึ้น ปัญหาการระบายความร้อนจึงกลายเป็นที่เด่นชัดขึ้น ระบบทำความเย็นแบบฝังตัวมอบโซลูชันที่มีประสิทธิภาพ เทคโนโลยีนี้ไม่เพียงแต่เพิ่มอัตราสัมประสิทธิ์ความร้อน (heat flux) แต่ยังลดความเสี่ยงของการลัดวงจร ให้ข้อได้เปรียบที่เป็นไปได้สำหรับการออกแบบผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต 儘管ผลการทดสอบปัจจุบันแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการทำความเย็นที่ดี แต่ก่อนการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ ยังต้องมีการทดสอบระยะยาวเพิ่มเติมเพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพ ซึ่งมีความสำคัญต่อการขับเคลื่อนการพัฒนาเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต