Ny chipkylning når 1 570 W/cm² med elektriskt isolerande vätska
Forskare vid Peking University har utvecklat en metod för att kyla kraftfulla chip med mikrokanaler och en elektriskt isolerande vätska. Konstruktionen når ett kritiskt värmeflöde på upp till 1 570 watt per kvadratcentimeter. Resultaten, publicerade i Nature Electronics, visar nya möjligheter för kylning nära värmekällan.
Vatten har goda termiska egenskaper, men dess elektriska ledningsförmåga kräver försiktighet för att minska risken för kortslutning. Och att helt frysa in chippet är aldrig en särskilt god idé.
När elektronik blir kompaktare och effekttätheten ökar ställs högre krav på värmehanteringen. Utmaningen är tydlig inom exempelvis kraftelektronik, där halvledare av galliumnitrid och kiselkarbid möjliggör utveckling inom elfordon, kommunikation och energisystem. Höga värmeflöden kan samtidigt begränsa komponenternas prestanda och tillförlitlighet. En väg framåt är att integrera kylningen i komponenten. Med mikrokanaler nära värmekällan kan värmen föras bort innan den behöver passera genom flera materialskikt. Peking University har tidigare demonstrerat sådan inbyggd kylning för mycket höga värmebelastningar.
I den nya studien har forskarna använt HFE-7100, en dielektrisk vätska, i mikrostrukturer etsade direkt i chipets substrat. Kylningen bygger på ett tvåfasförlopp där vätskan förångas och tar upp värme. Vatten har goda termiska egenskaper, men dess elektriska ledningsförmåga kräver försiktighet för att minska risken för kortslutning. Elektriskt isolerande vätskor erbjuder ett alternativ, men tidigare kyltekniker med sådana vätskor har enligt forskarna ofta varit begränsade till värmeflöden under 1 000 W/cm². Nyckeln till förbättringen är flödesfördelarens geometri. Horisontella inlopp underlättar tillförseln av vätska, medan vertikala utlopp hjälper ångan att lämna kylstrukturen.
I experiment nådde konstruktionen ett kritiskt värmeflöde på upp till 1 570 W/cm². Det beskriver gränsen där uttorkning av den uppvärmda ytan kan leda till försämrad värmeöverföring. Enligt forskarna kan konstruktionen tillverkas med mikroelektromekanisk teknik som är förenlig med etablerade halvledarprocesser. Det öppnar möjligheter för framtida integration och uppskalning. Resultaten gäller dock en experimentell konstruktion, inte en färdig kommersiell kylprodukt.
Källa: Xiao, W. med flera, ”Horizontal-up microfluidics for embedded chip cooling with a dielectric fluid”, Nature Electronics, publicerad 7 oktober 2026.