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Le più recenti innovazioni nello stacking verticale dei circuiti integrati tridimensionali (3D) hanno generato gravi sfide termiche nei circuiti integrati 3D. I metodi tradizionali di raffreddamento ad aria o a liquido risultano insufficienti. Il raffreddamento microfluidico integra canali di raffreddamento miniaturizzati negli interposer in silicio o nei substrati del package, consentendo all’azione di raffreddamento di avvenire in prossimità dei transistor in funzione. Ciò riduce la resistenza termica di circa il 40% rispetto alle soluzioni tradizionali con dissipatori di calore. Il raffreddamento a getto d’urto è ancora più efficace. Questa tecnica si basa sul principio di trasferire il calore mediante flussi di fluido ad alta velocità diretti verso singoli punti caldi del chip, in particolare nelle zone di logica densa o nei die di ingresso/uscita. Questa tecnica consente di rimuovere calore a una velocità superiore a 300 watt per centimetro quadrato. Quando applicata ai package di chip 2.5D e 3D più complessi, i metodi di raffreddamento sopra menzionati attenuano l’impatto dei carichi meccanici indotti dalla temperatura e prevengono la separazione degli strati nelle più recenti tecniche di packaging, come il fan-out e il bonding ibrido.
Il raffreddamento a liquido bifase consente di dissipare flussi termici superiori a 500 W/cm².
Il liquido refrigerante Novec 649 o FC-72 evapora a contatto con le superfici calde. Questa elevata capacità di assorbimento termico del refrigerante supera quella dei metodi di raffreddamento monofase. Questo metodo di raffreddamento si rivela il più efficace per flussi termici superiori a 500 W/cm², che i normali sistemi di raffreddamento conduttivo o convettivo non sono in grado di gestire. Nella pratica, con chip da 2 kW, i sistemi di raffreddamento in fase vapore mantengono la temperatura delle superfici raffreddate a 85 °C, inclusi i processori AI nei supercomputer che raggiungono prestazioni di livello exascale. Dopo aver assorbito il calore, la fase vapore del refrigerante fluisce verso una piastra fredda esterna o verso piccoli canali di un condensatore, chiudendo così il circuito termico (loop). Ciò rende questi sistemi di raffreddamento particolarmente vantaggiosi, soprattutto per il raffreddamento posteriore dei chip e per rack server su larga scala, poiché non richiedono il rabbocco del refrigerante.
Domande Frequenti
Cos'è il raffreddamento microfluidico e l'impingement a getto?
Mentre il raffreddamento microfluidico utilizza canali di piccole dimensioni all'interno dei substrati in silicio per un raffreddamento più efficiente, l'impingement a getto impiega flussi rapidi di liquido che colpiscono specifici punti caldi sui chip.
Perché il raffreddamento a due fasi è così efficace?
Il raffreddamento a due fasi può superare i 500 watt per centimetro quadrato, un valore molto superiore a quello di qualsiasi metodo convenzionale, poiché fa evaporare il fluido refrigerante direttamente sulle componenti calde.
Questi metodi di raffreddamento possono essere implementati su applicazioni su larga scala?
Sì, il raffreddamento microfluidico e il raffreddamento a due fasi sono ampiamente applicabili a rack server su larga scala e al raffreddamento diretto dei chip, in particolare per processori per intelligenza artificiale e supercomputer.