Учёные создали трёхслойное микрофлюидное устройство для сверхэффективного охлаждения электроники

Современные электронные устройства становятся всё мощнее и компактнее, а значит — выделяют больше тепла на меньшей площади. Повышенные тепловые потоки перегревают компоненты микросхем, приводя к сбоям и преждевременному выходу из строя. Для предотвращения этого инженеры разрабатывают новые методы терморегуляции, и одним из самых перспективных направлений сегодня считается микрофлюидное охлаждение — система, в которой охлаждающая жидкость проходит через микроканалы, встроенные в подложку чипа.

Учёные Пекинского университета и Национальной лаборатории передовых микро- и нано-технологий представили новую концепцию такого охлаждения, которая превосходит все существующие аналоги по эффективности. Исследование опубликовано в журнале Nature Electronics и описывает устройство, вытравленное прямо в кремниевой подложке и состоящее из трёх функциональных слоёв.

Трёхуровневая структура

Первый слой представляет собой сужающийся распределительный коллектор, равномерно подающий воду по всей поверхности микросхемы. Он гарантирует, что каждый микроканал получает одинаковое количество жидкости, обеспечивая равномерное охлаждение без «горячих зон». Средний слой — микроструйный (microjet) — содержит миниатюрные сопла, которые создают тонкие и быстрые потоки воды, направленные прямо на поверхность кристалла. Эти микроструи эффективно снимают тепло с наиболее нагретых участков, разрушая термическую границу и ускоряя теплопередачу. Третий слой — система микроканалов с зубчатыми стенками, по которым тёплая жидкость отводится наружу. Такая конфигурация позволяет минимизировать сопротивление потоку и повысить эффективность циркуляции.

Эффективность, превышающая ожидания

По словам ведущих авторов работы Чжиху Ву и Вэй Сяо, разработанное устройство способно рассеивать тепловой поток до 3000 Вт/см² при мощности насоса всего 0,9 Вт/см², используя обычную воду как охладитель. Для сравнения, большинство существующих микрофлюидных систем ограничены уровнем около 2000 Вт/см². Коэффициент эффективности их конструкции достигает 13 000, а при тепловом потоке 1000 Вт/см² повышение температуры микросхемы не превышает 65 К. Все элементы структуры создаются стандартными технологиями микромеханической обработки кремния, что делает массовое производство таких систем технически возможным уже сегодня.

Потенциал для будущих технологий

Испытания подтвердили, что новая трёхслойная система охлаждения отводит тепло значительно лучше большинства известных решений и при этом требует минимальных энергозатрат. В перспективе эта технология может стать ключом к созданию более компактных, долговечных и энергоэффективных электронных устройств — от процессоров и лазеров до систем связи и миниатюрных роботов. Учёные планируют продолжить работу, адаптируя конструкцию к различным типам микросхем и тестируя её в реальных электронных системах.

• Грибы как компьютерные чипы: учёные создают «живую память» из шиитаке
• Обычный кристалл оказался идеальным материалом для технологий на сверхнизких температурах
• Учёные научились превращать снимки атомно-силового микроскопа в точные 3D-модели движений белков
• Учёные создали уникальный гидрогель для «неклонируемых» меток безопасности
• Роботы нового поколения: в Caltech создали систему, которая может ходить, ездить и летать
• Учёные создали 3D-печатные материалы, которые полностью гасят вибрации
• Квантовые кристаллы: как учёные из Оберна открыли путь к новой технологической революции
• Телескоп «Джеймс Уэбб» показал рождение тысяч новых звёзд в «Омара»