EN
Najnowsze innowacje w zakresie pionowego układania trójwymiarowych układów scalonych wywołały poważne problemy termiczne w tych układach. Tradycyjne metody chłodzenia powietrzem lub rozwiązaniami chłodzenia cieczą są niewystarczające. Chłodzenie mikroprzepływowe polega na wbudowaniu miniaturyzowanych kanałów chłodzących w podkładki krzemowe lub podłoża pakietowe, co umożliwia umieszczenie działania chłodzącego w bezpośredniej bliskości działających tranzystorów. Dzięki temu opór cieplny zmniejsza się o około 40% w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań z użyciem radiatorów. Jeszcze bardziej skuteczną metodą jest chłodzenie strumieniowe (jet impingement). Technika ta opiera się na zasadzie odprowadzania ciepła za pomocą szybko poruszających się strumieni cieczy skierowanych bezpośrednio na poszczególne gorące punkty (hotspots) w układzie scalonym, szczególnie w gęstych obszarach logiki lub w die wejścia/wyjścia. Metoda ta pozwala usuwać ciepło z szybkością przekraczającą 300 watów na centymetr kwadratowy. W przypadku najbardziej złożonych pakietów układów scalonych 2,5D i 3D wspomniane powyżej metody chłodzenia łagodzą wpływ temperaturowo wywołanych obciążeń mechanicznych oraz zapobiegają rozdzieleniu warstw w najnowszych technikach pakowania, takich jak fan-out i wiązanie hybrydowe.
Dwufazowe chłodzenie cieczowe umożliwia odprowadzanie strumieni ciepła przekraczających 500 W/cm².
Ciecz chłodząca Novec 649 lub FC-72 przechodzi w stan parowy w kontakcie z gorącymi powierzchniami. Ta wysoka zdolność absorpcji ciepła przez ciecz chłodzącą przewyższa zdolność absorpcji metod chłodzenia jednofazowego. Metoda ta okazuje się najlepsza przy strumieniach ciepła przekraczających 500 W/cm², czego nie potrafi osiągnąć zwykłe chłodzenie przewodzeniem lub konwekcją. W praktyce w przypadku dużych układów scalonych o mocy 2 kW systemy chłodzenia fazą parową utrzymują temperaturę chłodzonych powierzchni na poziomie 85 °C – w tym procesorów AI w superkomputerach osiągających wydajność na poziomie eksaskali. Po zaabsorbowaniu ciepła faza parowa przepływa do zewnętrznej płyty chłodzącej lub do małych kanałów skraplacza, co zamyka obwód termiczny (obieg). Dzięki temu systemy chłodzenia, w szczególności do chłodzenia tylnych stron układów scalonych oraz dużych szaf serwerowych, są szczególnie korzystne, ponieważ nie wymagają uzupełniania cieczy chłodzącej.
Często zadawane pytania
Czym są chłodzenie mikroprzepływowe i chłodzenie strumieniowe?
Chłodzenie mikroprzepływowe wykorzystuje niewielkie kanały w podłożach krzemowych w celu bardziej efektywnego chłodzenia, natomiast chłodzenie strumieniowe wykorzystuje szybko poruszające się strumienie cieczy uderzające w konkretne gorące obszary układów scalonych.
Dlaczego chłodzenie dwufazowe jest tak skuteczne?
Chłodzenie dwufazowe umożliwia osiągnięcie mocy chłodzenia przekraczającej 500 watów na centymetr kwadratowy, co znacznie przewyższa możliwości dowolnej z konwencjonalnych metod, ponieważ polega na parowaniu środka chłodzącego bezpośrednio na nagrzanych elementach.
Czy te metody chłodzenia można zastosować w dużych systemach?
Tak, chłodzenie mikroprzepływowe oraz chłodzenie dwufazowe są bardzo przydatne w dużych szafach serwerowych i bezpośrednim chłodzeniu układów scalonych, szczególnie procesorów AI i superkomputerów.