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Las innovaciones más recientes en el apilamiento vertical de circuitos integrados tridimensionales (3D) han dado lugar a graves desafíos térmicos en dichos circuitos. Los métodos tradicionales de refrigeración por aire o soluciones de refrigeración líquida resultan insuficientes. La refrigeración microfluídica integra canales de refrigeración miniaturizados en los interposers de silicio o en los sustratos del paquete, permitiendo que la acción de refrigeración se lleve a cabo muy cerca de los transistores en funcionamiento. Esto mejora la resistencia térmica en aproximadamente un 40 % en comparación con las soluciones tradicionales basadas en disipadores de calor. La técnica de chorro impactante es aún más eficaz. Este método se basa en el principio de transporte de calor mediante chorros de fluido de alta velocidad dirigidos a puntos calientes individuales del chip, especialmente en zonas densas de lógica o en los die de entrada/salida. Esta técnica puede eliminar calor a una tasa superior a 300 vatios por centímetro cuadrado. Al aplicarse a los paquetes de chips 2.5D y 3D más complejos, los métodos de refrigeración mencionados anteriormente atenúan el impacto de las cargas mecánicas inducidas por la temperatura y evitan la separación de capas en las técnicas más avanzadas de empaquetado, como el fan-out y la unión híbrida.
El enfriamiento líquido de dos fases permite disipar flujos térmicos superiores a 500 W/cm².
El líquido refrigerante Novec 649 o FC-72 se evapora al entrar en contacto con superficies calientes. Esta elevada capacidad de absorción térmica del refrigerante supera la capacidad de absorción de los métodos de enfriamiento de una sola fase. Este método de enfriamiento resulta óptimo para flujos térmicos superiores a 500 W/cm², lo cual no es alcanzable mediante enfriamiento conductivo o convectivo convencional. En la práctica, con chips de gran potencia de 2 kW, los sistemas de enfriamiento en fase vapor mantienen la temperatura de las superficies refrigeradas en 85 °C, incluidos los procesadores de inteligencia artificial en supercomputadoras que alcanzan un rendimiento a escala exa. Tras absorber el calor, la fase vapor fluye hacia una placa fría ubicada externamente o hacia pequeños conductos de un condensador, cerrando así el circuito térmico (bucle). Esto hace que estos sistemas de enfriamiento sean especialmente ventajosos, en particular para el enfriamiento posterior de chips y para bastidores de servidores a gran escala, ya que no requieren recarga del refrigerante.
Preguntas frecuentes
¿Qué son los sistemas de refrigeración microfluídicos y la refrigeración por chorro?
Mientras que la refrigeración microfluídica emplea canales pequeños dentro de los sustratos de silicio para lograr una refrigeración más eficiente, la refrigeración por chorro utiliza corrientes rápidas de líquido que impactan puntos calientes específicos sobre los chips.
¿Qué hace tan eficaz a la refrigeración líquida de dos fases?
La refrigeración de dos fases puede superar los 500 vatios por centímetro cuadrado, lo cual es mucho más que cualquier método convencional, simplemente porque vaporiza los refrigerantes sobre los componentes calientes.
¿Se pueden implementar estos métodos de refrigeración en aplicaciones a gran escala?
Sí, la refrigeración microfluídica y la refrigeración de dos fases son muy adecuadas para bastidores de servidores a gran escala y para la refrigeración directa de chips, especialmente en procesadores de inteligencia artificial y supercomputadoras.