Ein neues Computer-Kühlverfahren ermöglicht eine Leistungssteigerung von 740 Prozent pro Einheit

Wir alle haben die Erfahrung eines unserer gemacht elektronische Geräte überhitzen. Unnötig zu sagen, dass es in diesem Fall sowohl für das Gerät als auch für seine Umgebung gefährlich wird. Aber ist eine Überhitzung angesichts der Geschwindigkeit, mit der Geräte arbeiten, vermeidbar?

Eine Leistungssteigerung von 740 Prozent pro Einheit

Forscher der University of Illinois at Urbana-Champaign UIUC und der University of California, Berkeley UC Berkeley haben kürzlich eine Erfindung entwickelt, die Elektronik effizienter als andere alternative Lösungen kühlen und eine Leistungssteigerung von 740 Prozent ermöglichen könntepro Einheit, laut Pressemitteilung von den am Donnerstag veröffentlichten Institutionen.

Tarek Gebrael, der Hauptautor der neuen Studie und UIUC-Doktorand im Maschinenbau, erklärte, dass aktuelle Kühllösungen drei spezifische Probleme haben. „Erstens können sie teuer und schwer zu vergrößern sein“, sagte er.

Er führte das Beispiel von Heatspreadern aus Diamanten an, die offensichtlich sehr teuer sind. Zweitens beschrieb er, wie herkömmliche Heatspreading-Ansätze im Allgemeinen den Heatspreader und einen Heatsin ein Gerät zur effizienten Wärmeableitung auf der Elektronik platzierenLeider "wird in vielen Fällen die meiste Wärme unter dem elektronischen Gerät erzeugt", was bedeutet, dass der Kühlmechanismus nicht dort ist, wo er am dringendsten benötigt wird.

Drittens, erklärte Gebrael, können Heatspreader nicht direkt auf der Oberfläche der Elektronik installiert werden. Sie erfordern eine Schicht aus „Thermal Interface Material“, das zwischen ihnen platziert werden muss, um einen guten Kontakt zu gewährleisten. Dieses Material hat jedoch eine schlechte WärmeÜbertragungseigenschaften, die sich negativ auf die thermische Leistung auswirken.

Eine Lösung für alle herkömmlichen Probleme

Glücklicherweise haben die Forscher eine neue Lösung gefunden, die alle drei dieser Probleme angeht.

Sie begannen damit, Kupfer als Hauptmaterial zu verwenden, was offensichtlich kostengünstig ist. Dann ließen sie die Kupferbeschichtung das Gerät vollständig „einhüllen“, sagte Gebrael – „und bedeckte die Oberseite, die Unterseite und die Seiten … eine konforme Beschichtungdie alle exponierten Oberflächen abdeckt", um sicherzustellen, dass keine wärmeerzeugenden Bereiche ungeschützt bleiben. Schließlich macht die neue Lösung ein thermisches Schnittstellenmaterial und einen Kühlkörper überflüssig. Wie innovativ!

„In unserer Studie haben wir unsere Beschichtungen mit Standard-Kühlkörpermethoden verglichen“, sagte Gebrael. „Was wir gezeigt haben, ist, dass Sie mit den Beschichtungen im Vergleich zu den Kühlkörpern eine sehr ähnliche thermische Leistung oder sogar eine bessere Leistung erzielen können.“

Das Entfernen des Kühlkörpers und der thermischen Schnittstelle garantiert auch, dass das Gerät, das die neue Lösung verwendet, erheblich kleiner ist als seine herkömmlichen Gegenstücke. „Und dies führt zu einer viel höheren Leistung pro Volumeneinheit. Wir konnten eine Steigerung von 740 Prozent nachweisendie Leistung pro Volumeneinheit", fügte Gebrael hinzu.

Co-Autor Nenad Miljkovic, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen an der UIUC und Berater von Gebrael, sagte abschließend: „Tareks Arbeit in Zusammenarbeit mit dem Team der UC Berkeley hat es uns ermöglicht, eine nicht isolierte Elektro-thermomechanischer Technologieentwicklungsansatz, um eine Lösung für ein schwieriges Problem für mehrere Branchen zu entwickeln."

Die Studie ist veröffentlicht ein Naturelektronik.

Zusammenfassung:

Die Elektrifizierung ist für die Dekarbonisierung der Gesellschaft von entscheidender Bedeutung, aber die Bewältigung der zunehmenden Leistungsverdichtung in elektrischen Systemen erfordert die Entwicklung neuer Wärmemanagementtechnologien. Ein Ansatz besteht darin, Wärmeverteiler auf monolithischer Metallbasis zu verwenden, die den Wärmewiderstand und die Temperaturschwankungen in elektronischen Geräten reduzieren.Ihre elektrische Leitfähigkeit macht sie jedoch schwierig zu implementieren.Hier berichten wir über gemeinsam entworfene elektronische Systeme, die Kupfer monolithisch direkt auf elektronischen Geräten zur Wärmeverteilung und Temperaturstabilisierung integrieren.Bei diesem Ansatz werden die Geräte zunächst mit einer elektrisch isolierenden Schicht aus Poly2-Chlor-p-xylylene Parylene C und dann eine konforme Kupferbeschichtung.Dadurch kann sich das Kupfer in unmittelbarer Nähe zu den wärmeerzeugenden Elementen befinden, was den Bedarf an Wärmeleitmaterialien eliminiert und im Vergleich zu bestehenden Technologien eine verbesserte Kühlleistung bietet.Wir testen den Ansatz mit Galliumnitrid-Leistungstransistoren und zeigen, dass er in Systemen mit bis zu 600 V verwendet werden kann und einen niedrigen spezifischen Wärmewiderstand von 2,3 cm zwischen Sperrschicht und Umgebung bietet.²KW^–1 in Ruheluft und 0,7 cm²KW^–1 in ruhigem Wasser.