پیشرفت تکنولوژی سبب شده که تراشه‌های الکترونیکی کوچک و کوچک‌تر شده‌اند. در عین حال که عملکرد آن‌ها افزایش یافته است، گرمای بیشتری هم تولید می‌شود. با این حال از آنجا که تراشه‌ها فضای محدودی دارند، استفاده از روش‌های معمول خنک‌سازی مانند هیت‌سینک‌ها ممکن نیست. پیشرفت‌های جدیدی که در حوزه فناوری‌های خنک‌کننده‌های رخ داده، سبب ساخت میکرو کانال‌های خنک‌کننده شده که این مشکل را برطرف می‌کنند. در این روش، مایع از طریق کانال‌های بسیار باریک جریان پیدا می‌کند و گرمای تولید شده توسط تراشه‌ها را کاهش می‌دهد.
سیستم‌های خنک‌کننده بر پایه مایعات ۵۰ تا ۱۰۰۰ برابر کارآمدتر از سیستم‌های خنک‌کننده مبتنی بر هوا هستند. با این حال تا چندی پیش استفاده از این سیستم‌های مایع برای دستگاه‌های کوچک اینترنت اشیا (IoT) مستلزم تجهیزات بزرگی بود. با این حال امروزه با پیشرفت تکنولوژی، تولید هیت‌سینک‌های مایع بسیار کوچک ممکن شده است. برخی از هیت‌سینک‌های مایع در واقع صفحات سردی به ابعاد ۲ سانتی‌متر در ۲ سانتی‌متر هستند و می‌توانند تا ۱۰۰۰ وات بر سانتی‌متر مربع حرارت را دفع کنند. این فناوری در بهینه‌سازی دستگاه‌های کوچک مانند گجت‌های هوشمند و سنسورها، نقش مهمی دارد و باعث افزایش عملکرد و کاهش گرما می‌شود.
استفاده از مواد پیشرفته و ساخت شبکه‌ای از میکرو کانال‌ها در سیستم خنک‌کننده مایع باعث شده که عملکرد خنک‌کننده‌ها به طور چشمگیری افزایش یابد. این میکرو کانال‌ها که تنها چند میکرون عرض دارند، مایع خنک‌کننده را در فواصل بسیار کوچک به جریان می‌اندازند تا به این صورت گرمای تراشه‌ها با دقت بیشتری دفع شود. با تعبیه میکرو کانال‌ها مستقیماً بر روی زیر لایه تراشه، مایع خنک‌کننده در نزدیک‌ترین جا به سطح تراشه جریان پیدا می‌کند. به این صورت نه تنها بازدهی سیستم خنک‌کننده افزایش می‌یابد که اتلاف انرژی به شکل تابش گرما هم به حداقل ممکن می‌رسد. در نتیجه با استفاده از این فناوری می‌توان دستگاه‌های الکترونیکی کوچک‌تر و فشرده‌تری طراحی کرد.
بر اساس تحقیقات، هیت‌سینک‌های مایع که به طور مستقیم روی تراشه نصب می‌شوند، به دلیل نزدیکی به منبع حرارت یعنی تراشه 50 برابر عملکرد بهتری نسبت به میکرو کانال‌های معمولی دارند. در این نوع هیت‌سینک‌ها از آب به عنوان مایع خنک‌کننده استفاده می‌شود که گرما را سریع از تراشه دور می‌کند. استفاده از خنک‌کننده‌های شیمیایی که معمولاً از نظر قابلیت جذب و دفع حرارت بهتر از آب عمل می‌کنند، عملکرد خنک‌کننده را بهبود می‌دهد. دلیل این است که خنک‌کننده‌های شیمیایی حرارت را سریع‌تر دفع می‌کنند.
مونتاژ قطعات به صورت عمودی
ظهور خنک‌کننده‌های مایع با میکرو کانال‌های روی تراشه راه را برای بهینه‌سازی‌های دیگری نیز هموار کرده است. یکی از این بهینه‌سازی‌ها این است که می‌توان به قطعات را به جای کنار هم قرار دادن، روی هم گذاشت. با تولید سیستم‌های خنک‌کننده جدید و حذف خنک‌کننده‌های قدیمی بزرگ، امکان روی هم قرار دادن قطعات فراهم می‌شود.
دلیل هم این است که در طراحی‌های معمولی برای جلوگیری از تولید گرمای بیش از حد، قطعات الکترونیکی مانند تراشه‌ها معمولاً در کنار هم قرار می‌گرفتند. استفاده از میکرو کانال‌های خنک‌کننده، این محدودیت‌ها را برطرف می‌کند و می‌توان اجزا را به صورت عمودی بر روی یکدیگر قرار داد، بدون اینکه خطر تولید گرمای زیاد وجود داشته باشد. در نتیجه فضای مورد نیاز کاهش و کارایی دستگاه‌های الکترونیکی افزایش می‌یابد.
علاوه بر این طراحی جدید سبب می‌شود که تأخیر سیگنال‌ها هم کاهش یابد. با کاهش فاصله بین اجزا و تراشه‌ها، سیگنال‌ها مسافت کوتاه‌تری را طی می‌کنند که همین باعث افزایش سرعت و کارایی مدارها می‌شود. این فناوری همچنین یکی از مشکلات رایج در طراحی تراشه‌ها یعنی سیلیکون تاریک یا تیره را برطرف می‌کند. سیلیکون تاریک به قسمت‌هایی از تراشه اشاره دارد که به دلیل گرمای بیش از حد نمی‌توانند به طور هم‌زمان فعال باشند. خنک‌کننده‌های جدید سبب می‌شوند که امکان استفاده از تراشه به حداکثر برسد و کارایی کلی دستگاه هم افزایش یابد.
چالش‌ها و ملاحظات آینده
با وجود مزایای بسیار زیادی که این خنک‌کننده‌های جدید دارند اما با چالش‌ها و موانعی هم همراه است که احتمالاً روند پیشرفت این فناوری را کند می‌کنند. یکی از مهم‌ترین چالش‌ها، هزینه و پیچیده بودن تولید این خنک‌کننده‌ها است. تعبیه میکرو کانال‌های بسیار کوچک روی تراشه‌ها به دقت زیاد و فناوری‌های پیشرفته نیاز دارد. علاوه بر این تولید انبوه این خنک‌کننده‌ها نیازمند تجهیزات پیشرفته میکرومکانیکی است که همین موضوع هزینه‌های تولید را افزایش می‌دهد؛ بنابراین، تولیدکنندگان باید بین پیشرفت‌های تکنولوژیکی و هزینه‌های تولید تعادل برقرار کنند تا بتوان از این فناوری به طور گسترده و استفاده کرد.
اگرچه در ابتدا هزینه‌ها و پیچیدگی‌های مرتبط با پیاده‌سازی میکرو کانال‌های خنک‌کننده ممکن است بالا باشد، اما پیش‌بینی می‌شود با گذر زمان و بهبود فرآیندها، هزینه‌های تولید هم کاهش یابد. تا آن زمان تولیدکنندگان می‌توانند مستقیماً اقدام به تعبیه کانال‌های خنک‌کننده روی تراشه‌های معمولی بازار کنند. به این صورت علاوه بر استفاده از این فناوری، به کارخانه‌های نیمه‌هادی که این فناوری را به طور خاص ارائه می‌دهند هم وابسته نخواهند شد. مطالعات نشان داده‌اند که با این روش می‌توان به میزان چشمگیری (۴۴.۴٪) مقاومت حرارتی تراشه‌ها را کاهش داد که این باعث بهبود عملکرد خنک‌کنندگی و کاهش دمای تراشه‌ها بدون نیاز به تجهیزات پیشرفته‌تر یا هزینه‌های اولیه زیاد می‌شود.
سیستم‌های خنک‌کننده جدید، محدودیت‌های حرارتی که قبلاً مانع عملکرد بهتر تراشه‌ها بودند را حذف می‌کنند اما ممکن است چالش جدیدی را هم به وجود آورند و آن تأمین انرژی کافی برای این تراشه‌های قدرتمند است. هرچه تراشه‌ها قدرتمندتر شوند، به انرژی بیشتری نیاز خواهند داشت. تأمین این مقدار انرژی ممکن است از نظر هزینه و زیرساخت‌های مورد نیاز به یک معضل تبدیل شود. در نتیجه احتمالاً در آینده تولید تراشه‌های فوق‌العاده قدرتمند ممکن می‌شود اما تأمین انرژی آن‌ها چنان پرهزینه خواهد بود که عملاً استفاده از این تراشه‌ها به صرفه نخواهد بود.
اگرچه احتمال روبرویی با این چالش زیاد نیست اما توجه به آن ضروری است. احتمالاً پیشرفت‌هایی که در حوزه فناوری‌های تأمین انرژی شاهد خواهیم بود، این مشکل را حل خواهد کرد. به عنوان مثال، ممکن است روش‌های جدیدی برای انتقال یا تولید انرژی کشف شوند که به طور مقرون‌به‌صرفه‌ای انرژی مورد نیاز تراشه‌ها را تأمین می‌کنند.
هم‌زمان با کوچک‌تر شدن دستگاه‌های الکترونیکی مانند گوشی‌های هوشمند و ابزارهای اینترنت اشیا، روش‌های خنک‌سازی نیز همواره پیشرفته‌تر می‌شوند. یکی از این روش‌ها، تعبیه میکرو کانال‌ها بر روی سطح تراشه‌ها است که به نحو مؤثری باعث خنک شدن آن خواهند شد. این روش وقتی با تکنیک قرار دادن قطعات روی هم ترکیب شود، کاهش ابعاد و افزایش عملکرد سیستم‌های الکترونیکی را به همراه خواهد داشت.
منبع : edn
عالی