Pendinginan chip generasi berikutnya beralih dari pelat pendingin eksternal menuju arsitektur mikrokanal dan mikrofluida di dalam chip.
Dari pelat pendingin konvensional hingga pendinginan mikrofluida dalam chip.
Pendinginan cair tradisional seringkali berfungsi seperti pendingin termal eksternal. Panas meninggalkan chip, melewati beberapa antarmuka, dan akhirnya dipindahkan ke pelat pendingin logam. Setiap lapisan menambah hambatan termal. Seiring dengan terus meningkatnya fluks panas, arsitektur ini menjadi semakin sulit untuk diskalakan.
Pendinginan cair generasi berikutnya mengambil jalur yang lebih langsung. Alih-alih hanya mengandalkan pelat dingin yang terpasang pada kemasan, para insinyur mengembangkan struktur mikrokanal dan sirip mikro yang jauh lebih dekat ke wilayah penghasil panas pada chip. Dalam pendinginan mikrofluida di dalam chip atau di bagian belakang chip, cairan pendingin mengalir melalui saluran skala mikro atau susunan sirip yang dibuat langsung ke dalam substrat silikon atau struktur terkait, sehingga secara dramatis memperpendek jalur termal.
Perbandingan antara pendinginan cairan pelat dingin konvensional dan pendinginan mikrofluida. Dalam pendekatan mikrofluida, cairan pendingin mengalir jauh lebih dekat ke sumber panas, sehingga mengurangi hambatan termal.
Struktur ini sangat kecil. Geometri representatif dapat mencakup fitur dengan lebar atau diameter sekitar 100 μm dan kedalaman lebih dari 200 μm. Susunan sirip mikro meningkatkan luas permukaan secara signifikan, yang dapat meningkatkan perpindahan panas jauh melampaui apa yang dapat dicapai oleh pendinginan tingkat paket konvensional.
Susunan sirip mikro dan struktur saluran mikro terkait meningkatkan luas permukaan dan memperbaiki perpindahan panas lokal dalam arsitektur pendinginan canggih.
Mengapa perangkat daya membuat tantangan pendinginan menjadi lebih mendesak?
Pendinginan mikrofluida bukan hanya tentang CPU atau akselerator AI. Teknologi ini juga sangat relevan untuk semikonduktor daya. Material seperti galium nitrida (GaN) dan silikon karbida (SiC) memungkinkan pengoperasian tegangan tinggi dan frekuensi tinggi, tetapi juga menciptakan kondisi termal yang sangat menuntut.
Dalam bidang elektronika daya untuk kendaraan listrik, sistem telekomunikasi, dan lingkungan dengan fluks panas tinggi lainnya, arsitektur pendinginan yang lebih canggih menjadi sangat penting. Para peneliti beralih dari saluran lurus sederhana menuju jaringan distribusi pendingin 3D yang lebih kompleks, termasuk struktur mikrokanal berlipat ganda yang meningkatkan distribusi fluida di dalam perangkat.
Penelitian pendinginan terkait GaN bergerak menuju jaringan mikrokanal manifold dan 3D untuk meningkatkan distribusi pendingin dan keseragaman termal.
Potensi termalnya sangat besar, tetapi beban manufakturnya juga tinggi. Begitu jalur pendinginan menjadi 3D, sempit, dan terintegrasi secara padat, fabrikasi dengan cepat menjadi salah satu hambatan utama untuk implementasi di dunia nyata.
Mengapa manufaktur mikrokanal begitu sulit?
Secara teori, pendinginan mikrofluida menawarkan solusi elegan untuk manajemen panas generasi berikutnya. Namun, dalam produksi, pembuatan saluran mikro, sirip mikro, dan struktur mirip manifold pada komponen skala chip jauh dari sederhana.
1Bahan yang keras dan rapuh
Silikon, GaN, dan SiC adalah material yang sulit dari perspektif manufaktur. Pemesinan tradisional dapat menyebabkan pengelupasan, retak, dan kerusakan tepi.
2Struktur 3D dengan jarak antar elemen yang rapat.
Perpindahan panas sangat bergantung pada geometri saluran. Struktur sirip pin seringkali mengungguli saluran beralur sederhana, tetapi lebih sulit dan lebih mahal untuk diproduksi.
3Permukaan bagian dalam yang halus
Dinding saluran yang kasar meningkatkan penurunan tekanan dan mengurangi efisiensi. Pembuatan mikrokanal dengan kekasaran rendah merupakan persyaratan fungsional.
4Fleksibilitas pembuatan prototipe
Suatu proses yang mendukung perubahan geometri yang fleksibel tanpa perlu mendesain ulang masker secara rumit dapat mempercepat studi kelayakan dan siklus pengembangan.
Contoh perbandingan jalur fabrikasi saluran pendingin mikrofluida untuk struktur skala chip.
Perbandingan antara rute proses yang ada
| Persyaratan | Etsa Konvensional | Mikromesin Laser Femtosekon |
|---|---|---|
| Fleksibilitas material | Seringkali spesifik terhadap proses. | Dapat diadaptasi ke silikon, GaN, SiC, dan lainnya. |
| Kebebasan geometri | Kurang fleksibel untuk iterasi. | Tanpa masker; cocok untuk alur dan sirip yang kompleks. |
| Efek samping termal | Tergantung pada jalur proses | Dampak sangat rendah karena pulsa ultra pendek. |
| Kualitas permukaan | Mungkin memerlukan penyelesaian | Tingkat kekasaran hingga Ra 0,2 μm |
| Peran yang paling sesuai | Fabrikasi volume tinggi | Pembuatan prototipe dan struktur mikro bernilai tinggi |
Apa yang bisa diubah oleh mikromesin laser femtosecond?
Pemrosesan laser femtosekon menarik perhatian dalam manufaktur mikrokanal karena menggabungkan dua kualitas yang seringkali sulit diperoleh secara bersamaan: dampak termal rendah dan fleksibilitas geometris tinggi.
Dampak termal rendah pada material semikonduktor yang rapuh.
Dengan pulsa ultra pendek di 10-15Laser femtosekon, dalam rentang detik, meminimalkan difusi panas selama penghilangan material. Hal ini membuat laser femtosekon menarik untuk pemesinan halus pada silikon yang rapuh dan material keras serta rapuh lainnya di mana retakan, pengelupasan, atau tekanan termal dapat mengganggu kinerja perangkat.
Lebih banyak kebebasan untuk struktur pendinginan yang kompleks.
Sirip mikro, alur, fitur distribusi aliran, dan pola non-standar sulit untuk dibuat prototipenya secara efisien ketika setiap perubahan desain memerlukan proses yang sangat terikat. Proses laser tanpa masker dan fleksibel secara geometris dapat mempermudah validasi konsep pendinginan tahap awal.
Kualitas permukaan sangat penting dalam saluran aliran.
Karena efisiensi mikrokanal sangat bergantung pada hambatan hidraulik, kualitas dinding bagian dalam merupakan masalah desain utama. Pemesinan mikro laser femtosekon dapat mendukung hasil akhir permukaan yang halus, dengan kekasaran hingga Ra 0,2 μm yang dirujuk dalam skenario pemesinan mikrostruktur yang berlaku.
Ini bukan berarti laser femtosekon secara otomatis menggantikan setiap jalur manufaktur semikonduktor yang sudah mapan. Kapasitas produksi dan biaya masih perlu disesuaikan dengan aplikasi akhir. Namun, untuk validasi pendinginan cair generasi berikutnya, pengembangan struktur mikro yang kompleks, dan pembuatan prototipe presisi tinggi, pemrosesan laser femtosekon merupakan kandidat yang kuat.
Mengapa hal ini penting di luar chip AI
Nilai dari manufaktur mikrokanal meluas jauh melampaui satu kategori prosesor. Struktur pendinginan atau kontrol fluida serupa relevan untuk perangkat keras pusat data, elektronika daya, nosel pencetak 3D, modul kontrol termal, manajemen superkapasitor, dan bahkan sistem pengaturan suhu biomedis.
Jelajahi mikrokanal dan permesinan mikro semikonduktor dengan MONO
Jika Anda sedang mengevaluasi mikrokanal silikon, struktur pendingin panas, sirip mikro, atau geometri pendinginan presisi lainnya, MONO dapat mendukung proyek Anda dengan studi kelayakan, pengembangan proses laser femtosekon, dan solusi manufaktur presisi.
Pertanyaan yang Sering Diajukan (FAQ)
Apa itu mikrokanal dalam pendinginan chip?
Mikrokanal adalah jalur pendingin yang sangat kecil yang dibuat dekat dengan sumber panas, seringkali di dalam substrat chip atau struktur terkait, untuk mengurangi hambatan termal dan meningkatkan perpindahan panas.
Mengapa struktur pin-fin mikro menarik untuk pendinginan cairan?
Hal ini dapat meningkatkan area perpindahan panas efektif dan meningkatkan kinerja pendinginan, meskipun juga menimbulkan kompleksitas manufaktur yang lebih tinggi dan potensi penurunan tekanan yang lebih tinggi.
Mengapa pemrosesan laser femtosekon relevan dengan manufaktur mikrokanal?
Karena menawarkan dampak termal yang sangat rendah, fleksibilitas tanpa masker, dan kemampuan yang kuat untuk pemesinan fitur halus pada material keras dan rapuh seperti silikon dan substrat semikonduktor canggih lainnya.