Sangre y silicio: el nuevo sistema de refrigeración de componentes electrónicos imita los capilares humanos

A medida que la electrónica se vuelve cada vez más pequeña y densa, también se calienta. Sus componentes no funcionan mejor a altas temperaturas, por lo que lidiar con el calor creciente que producen los electrones en colisión a medida que fluyen a través de los semiconductores en estos elementos que se contraen es un desafío tecnológico enorme y cada vez más urgente.

Hay varios formas de enfriar componentes, que van desde simples intercambiadores de calor refrigerados por ventilador hasta más compactos y sistemas sofisticados. Uno de los últimos implica equipar chips semiconductores con un dispositivo diminuto que tiene microcanales que transportan fluidos a través de él para alejar el calor. Estos canales deben ser lo más pequeños posible para que puedan caber más en un solo chip. Pero cuanto más pequeños son los canales, más presión se necesita para que fluya el líquido, y esta presión puede requerir mucha energía.

Ahora, los científicos del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Lausana (EPFL) dicen que han desarrollado una nueva tecnología para hacer que estos sistemas sean más eficientes energéticamente. En este enfoque novedoso, la red de microcanales, cuyo diseño arquitectónico se inspiró en el sistema circulatorio humano, se construyó dentro del propio semiconductor, no unida a él posteriormente. los recomendaciones fueron publicados el miércoles en Naturaleza.

Elison Matioli, profesor del Instituto de Ingeniería Eléctrica de EPFL, y sus colegas utilizaron un chip que comprende una capa delgada de un material semiconductor llamado nitruro de galio, o GaN, sobre un sustrato de silicio más grueso. En un chip ordinario, este sustrato solo soporta la capa de GaN. Pero en el nuevo sistema, los microcanales están tallados dentro del sustrato y colocados para alinearse exactamente con las partes del chip que tienden a calentarse más.

Para atacar el problema de la alta energía necesaria para bombear agua u otro líquido refrigerante a través de los canales minúsculos, los investigadores diseñaron una red de distribución compuesta por canales más anchos que solo se estrechan en los lugares precisos donde se concentra el calor. Esta disposición reduce drásticamente la cantidad total de energía necesaria.

“Es como el sistema circulatorio humano, que está hecho de vasos sanguíneos más grandes que solo se vuelven más delgados, transformándose en capilares, en ciertas áreas del cuerpo”, dice Matioli. Los experimentos, algunos de los cuales tuvieron que realizarse en un laboratorio construido en el apartamento de un investigador después de que la pandemia COVID-19 cerró las instalaciones del Instituto de Ingeniería Eléctrica, mostraron que el coeficiente de rendimiento del sistema (que mide su eficiencia) es 50 veces mayor que el logrado por otra tecnología de enfriamiento que usa microcanales de ancho uniforme y no está integrado dentro del semiconductor.

El mayor avance de este enfoque es un método de fabricación innovador que integra las estructuras electrónicas y de enfriamiento en un solo proceso de fabricación, dice Tiwei Wei, quien fue uno de los revisores pares del artículo e investigador del Centro Interuniversitario de Microelectrónica y KU Leuven, ambos en Belgica. Agrega que esta integración ayuda a que los microcanales estén mucho más cerca de las áreas específicas sobrecalentadas, enfriando las cosas de manera más eficiente.

“Es un documento importante porque cierra la brecha entre dos comunidades: las comunidades de electrónica de potencia y de refrigeración de la electrónica. Actualmente, la mayoría de las investigaciones los tratan por separado ”, dice Xianming (Simon) Dai, quien es profesor asistente en el departamento de ingeniería mecánica de la Universidad de Texas en Dallas y no participó en el estudio.

La ingeniería térmica suele ser una ocurrencia tardía, considerada solo después de que se ha diseñado un sistema eléctrico. Pero William King, profesor y cátedra Ralph A. Andersen Endowed en ciencia mecánica e ingeniería en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, señala que algunos grupos de investigación han comenzado a considerar el concepto de codificación electrónica y soluciones de enfriamiento. “Este documento muestra una contribución importante que realmente demuestra lo que es posible”, dice King, quien tampoco participó en el nuevo documento.

Una de las limitaciones del estudio, según Wei, es que aplicó la innovadora solución de enfriamiento a un caso de prueba relativamente simple. “Una dirección futura sería aplicar el concepto en un diseño de convertidor de última generación”, dice, y agrega que también tiene preguntas sobre la integridad estructural de la capa delgada de GaN en la parte superior de los microcanales. “Mi preocupación es que, a largo plazo, el líquido que atraviesa los canales debajo del dispositivo podría provocar estrés que podría afectar al dispositivo”.

King dice que los próximos pasos en esta investigación deberían ser mostrar que es posible usar canales de enfriamiento de microfluidos en otros materiales y explorar las posibilidades de geometrías tridimensionales más avanzadas. “A medida que este concepto madura”, dice, “creo que los diseños se parecerán cada vez más a una red capilar del sistema circulatorio humano, donde grandes canales se enlazan con pequeños canales en una arquitectura ramificada”.

King señala que la gestión térmica es una limitación importante para todo tipo de electrónica, especialmente los dispositivos electrónicos de potencia como los que se utilizan en vehículos híbridos y eléctricos, la red eléctrica y las comunicaciones.

“En principio, esta tecnología podría usarse en todo tipo de electrónica: por ejemplo, para enfriar chips de computadora o en aplicaciones como paneles solares o autos eléctricos, que pueden tener alta densidad de potencia”, dice Matioli. Añade que es poco probable que esto ofrezca una solución práctica para todos los componentes electrónicos, sin embargo, porque en ciertas aplicaciones, no sería deseable tener líquido circulando dentro de las partes electrónicas.

Matioli ve un gran potencial para esta tecnología en los centros de datos, que consumen enormes cantidades de energía, gran parte de la cual se destina a los sistemas de refrigeración. Juntos, todos los centros de datos de EE. UU. Consumen una cantidad de electricidad y agua comparable a las necesidades residenciales de una ciudad como Filadelfia, dice. En promedio, el 30 por ciento de la energía utilizada por los centros de datos se destina a refrigeración. El documento de su equipo sostiene que este gasto podría reducirse significativamente si se adopta el nuevo enfoque.

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