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As inovações mais recentes no empilhamento vertical de circuitos integrados 3D deram origem a severos desafios térmicos nesses circuitos. Métodos tradicionais de refrigeração a ar ou soluções de refrigeração líquida são insuficientes. A refrigeração microfluídica integra canais de refrigeração miniaturizados nos interposers de silicone ou nos substratos dos invólucros, permitindo que a ação de refrigeração ocorra em proximidade imediata aos transistores em funcionamento. Isso reduz a resistência térmica em aproximadamente 40% em comparação com soluções tradicionais de dissipadores de calor. A técnica de jato de impacto é ainda mais eficaz. Este método baseia-se no princípio de transporte de calor por meio de jatos de fluido de alta velocidade direcionados a pontos quentes individuais do chip, especialmente em dies de lógica densa ou de entrada/saída. Essa técnica pode remover calor a uma taxa superior a 300 watts por centímetro quadrado. Quando aplicada aos pacotes de chips 2,5D e 3D mais complexos, os métodos de refrigeração acima mencionados atenuam o impacto das cargas mecânicas induzidas pela temperatura e impedem a separação de camadas nas técnicas mais recentes de embalagem, como fan-out e ligação híbrida.
O resfriamento líquido bifásico permite dissipar fluxos térmicos superiores a 500 W/cm².
O líquido de refrigeração Novec 649 ou FC-72 transforma-se em vapor ao entrar em contato com superfícies quentes. Essa elevada capacidade de absorção de calor do fluido refrigerante supera a capacidade de absorção dos métodos de resfriamento monofásicos. Esse método de resfriamento revela-se o mais eficaz para fluxos térmicos superiores a 500 W/cm², os quais não podem ser alcançados pelos métodos convencionais de resfriamento condutivo ou convectivo. Na prática, em chips de grande porte com potência de 2 kW, os sistemas de resfriamento em fase vapor mantêm a temperatura das superfícies refrigeradas em 85 °C, incluindo processadores de IA em supercomputadores que atingem desempenho na escala de exaFLOPS. Após absorverem o calor, os vapores fluem para uma placa fria externamente localizada ou para pequenos dutos de um condensador, fechando assim o circuito térmico (laço). Isso torna os sistemas de resfriamento, em especial para resfriamento traseiro de chips e racks de servidores em larga escala, altamente vantajosos, pois não requerem o reabastecimento do fluido refrigerante.
Perguntas Frequentes
O que são os sistemas de refrigeração microfluídicos e por jato de impacto?
Enquanto a refrigeração microfluídica utiliza canais pequenos nos substratos de silício para uma refrigeração mais eficiente, o resfriamento por jato de impacto emprega jatos rápidos de líquido que atingem pontos quentes específicos nos chips.
O que torna a refrigeração líquida bifásica tão eficaz?
A refrigeração bifásica pode superar 500 watts por centímetro quadrado, valor muito superior ao de qualquer método convencional, simplesmente porque vaporiza os fluidos refrigerantes nos componentes quentes.
Esses métodos de refrigeração podem ser implementados em aplicações em larga escala?
Sim, a refrigeração microfluídica e a refrigeração bifásica são altamente aplicáveis em racks de servidores de grande porte e na refrigeração direta de chips, especialmente em processadores de IA e supercomputadores.