La refrigeración de chips es un desafío constante en la industria de la electrónica. Los nuevos métodos que utilizan transistores térmicos y microfluidos prometen soluciones innovadoras para mantener nuestros dispositivos frescos, mejorando su rendimiento y extendiendo su vida útil. Y, gracias a ellos, se podrían resolver muchos problemas de los nuevos empaquetados 3D que la refrigeración convencional no puede solucionar.
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¿Qué es un transistor térmico?
Los transistores térmicos representan un avance significativo en la gestión del calor en la electrónica moderna. Estos dispositivos pueden controlar el flujo de calor a través de la electrónica utilizando un campo eléctrico. Este concepto ha sido probado en la última década, lo que ha llevado al desarrollo de transistores térmicos electroquímicos, usando algunas moléculas exóticas líquidas.
Recientemente, un equipo de investigación de la Universidad de Hokkaido, liderado por el profesor Hiromichi Ohta, ha desarrollado el primer transistor térmico electroquímico de estado sólido. Este invento es mucho más estable y tan efectivo como los actuales transistores térmicos de estado líquido.
El transistor térmico consta de dos materiales, el material activo y el material de conmutación. El material activo tiene una conductividad térmica variable, y el material de conmutación se utiliza para controlar la conductividad térmica del material activo.
No hay que confundir a estos transistores térmicos con los termoeléctricos como el efecto Seebek o el Peltier.
Un estudio realizado por un equipo de investigación de la UCLA demostró que los transistores térmicos son 13 veces más eficientes que los métodos tradicionales de refrigeración. La eficiencia aumentada proviene de una capa de moléculas que cambia a un estado conductivo bajo un voltaje bajo. De esta manera, los transistores térmicos distribuyen el calor de manera más uniforme, moviendo el calor acumulado desde el punto caliente hacia las extremidades.
Los transistores térmicos tienen un gran potencial, ya que la velocidad con la que pueden modular el flujo de calor los convierte en una opción prometedora para gestionar el calor en los futuros chips y electrónica de alta potencia. Y todo ello con una cantidad de energía muy reducida, es decir, con una alta eficiencia frente a otros sistemas de refrigeración mucho menos eficientes.
¿Que son los microfludos?
La miniaturización de los dispositivos electrónicos ha llevado a la generación de una gran cantidad de calor en áreas muy reducidas, y que debe disiparse para mantener el rendimiento y evitar daños físicos en los chips. La demanda de una potencia cada vez mayor, y una miniaturización de los dispositivos, ha generado un gran desafío a la hora de refrigerar estos sistemas de forma eficiente.
Una forma eficiente de energía para mejorar el rendimiento de los sistemas electrónicos sería integrar canales de refrigeración microfluídica en los chips, para prevenir el sobrecalentamiento. Es decir, sería una refrigeración líquida built-in, u on-chip. Sin embargo, los sistemas de refrigeración mediante fluidos se ha venido diseñado de forma externa, y crear estos sistemas a micro o nanoescala es más complejo.
Corintis ha ideado soluciones de refrigeración microfluídica basadas en silicio para permitir una disipación de calor 10 veces mayor de los chips de silicio en comparación con los métodos convencionales, con una eficiencia energética 50 veces mayor. Su solución extrae calor al hacer fluir líquido a través de miles de canales microscópicos, hasta 10 veces más pequeños que un cabello humano. Estos capilares pueden llegar a multitud de zonas del chip, mejorando la refrigeración. Y para generar la corriente de flujo, tan solo se instalaría un equipo de refrigeración líquida similar a los actuales.
A pesar de las similitudes con la refrigeración líquida activa actual, los microcanales permiten llevar el fluido refrigerante mucho más cerca de los elementos de potencia, lo que reduce el coste energético y reduce la temperatura de forma más efectiva.
TSV para mejorar la refrigeración
La tecnología de empaquetado en 3D ha revolucionado el diseño y la fabricación de chips, permitiendo una mayor densidad de componentes y una mejora en el rendimiento. Una de las tecnologías clave en este avance es el uso de TSV (Thorugh Silicon Vias) para la interconexión entre las diferentes capas de chips. Y esto también podría tener aplicaciones prácticas para la refrigeración si se combinan con la anterior tecnología, ya que se podrían crear estos pilares a través de los chips empaquetados para que pudieran disipar el calor, ya sea mediante un conductor haciendo uso de capas intermedias de refrigeración, o haciendo pasar microfluidos a través de ellos.
Por ejemplo, en un estudio, se montó un chip con una alta disipación de calor, y se usó la tecnología TSV de cobre para la interconexión eléctrica y un TSV hueco para la circulación de fluidos. Se hizo circular agua desionizada a través del portador del chip y se extrajo el calor del chip. Este trabajo de investigación demostró una solución de refrigeración líquida para 100 W de disipación de calor por cada capa de la pila de chips en el empaquetado 3D.
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Ventajas para los nuevos chips semiconductores y los empaquetados 3D
En definitiva, las refrigeraciones actuales, tanto la refrigeración por aire pasiva, la activa, y la refrigeración líquida pasiva y activa no van a desaparecer en un futuro, y no serán sustituidas por estas otras formas de refrigeración. Sin embargo, sí que pueden ser complementarias para poder disipar calor en chips de alta potencia, por encima de los 400W, que parece que se ha transformado en una barrera importante en la actualidad.
Además, estas soluciones combinadas con las actuales en centros de datos, también podrían reducir de forma significativa el calor y los enormes costes energéticos de las refrigeraciones actuales de estas grandes máquinas. Por tanto, van a ser fundamentales en la nueva era del empaquetado 3D a la que nos enfrentamos.
Y, al disponer de varias capas o chips apilados en estos empaquetados, también se obtendría un sistema de refrigeración más homogéneo para todas las capas, ya que en un empaquetado 3D con refrigeración actual, la capa más superior es la que se refrigera mejor, mientras las capas de más abajo pueden estar acumulando puntos calientes peligrosos, y que también están actualmente limitando la capacidad de apilado.
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