При включении электронные устройства выделяют тепло. Современный объем данных, циркулирующих по всему миру, еще больше увеличивает выработку этой тепловой энергии. Для поддержания бесперебойной работы устройств необходимо отводить тепло с помощью встроенных устройств охлаждения. Однако такие охладители могут быть большими и громоздкими, в зависимости от размера и мощности устройства, а также дорогими и сложными в проектировании. Пытаясь преодолеть этот недостаток, исследователи из Университета Иллинойса и Беркли разработали новое покрытие на основе меди, которое будет гораздо меньше и дешевле в производстве, обеспечивая при этом значительно более эффективное охлаждение.

Если тепло, выделяемое электронным устройством, не отводится, это может нарушить его работу, повредить его или даже вызвать возгорание. Для этого такие объекты в основном оснащаются так называемыми радиаторами, которые обычно имеют ребра и в идеале должны быть установлены вертикально и над электронными схемами для лучшего рассеивания тепла.

Эти радиаторы различаются по размеру, материалу и конструкции в зависимости от устройства, для которого они предназначены. Они также эволюционировали вместе с центральными и графическими процессорами, которые становятся все более мощными и, следовательно, выделяют больше тепла для обеспечения своей производительности. Например, PlayStation 5 имеет очень большой теплоотвод, что позволяет проводить длительные игровые сессии.

Последние технологические достижения также привели к разработке радиаторов для мобильных телефонов, где место занимает очень мало. Некоторые высокопроизводительные смартфоны оснащены теплоотводами в виде своеобразной пасты, инкрустированной микроалмазами, которые позволяют эффективно отводить тепло и обеспечивают их работу на полную мощность.

Три основных недостатка

По мнению авторов исследования, опубликованного в журнале Nature Electronics, несмотря на современные достижения в области инженерии, существующие теплоотводы имеют три основных ограничения. Главный недостаток — стоимость, как сырья, так и монтажа. «Алмазные теплоотводы иногда используются на уровне чипов, но они не дешевы«, — говорит Тарек Гебраэль, ведущий автор исследования нового покрытия и докторант в области машиностроения в Университете Иллинойса, в своем заявлении.

Второй основной недостаток заключается в том, что для обычного теплоотвода обычно требуется теплораспределитель и теплоотвод. Для эффективного отвода тепла этот двухкомпонентный кулер должен быть установлен над электронным устройством. В большинстве случаев, однако, наибольшая концентрация тепла генерируется под электронным устройством. Поэтому система охлаждения расположена не там, где она была бы наиболее эффективной.

Еще одним существенным недостатком является то, что радиаторы нельзя устанавливать непосредственно на электронную поверхность. В частности, между радиаторами должен быть вложен слой материала теплового интерфейса, чтобы обеспечить хороший контакт и тем самым повысить производительность. Однако этот промежуточный слой будет иметь довольно низкие характеристики теплопередачи и может негативно повлиять на производительность радиатора.

Более выгодное решение

Ученые в новом исследовании предлагают решение, которое позволит устранить все три этих недостатка! В качестве материала для их охлаждающего покрытия выбрана медь, которая намного дешевле алмаза или других металлов. Кроме того, покрытие полностью охватывает электронное устройство, благодаря чему тепло поглощается и рассеивается, не оставляя без внимания ни один участок. Третье преимущество заключается в том, что нет необходимости в материале для термического интерфейса. Таким образом, вся система охлаждения включена в одно устройство.

По сравнению с нынешними радиаторами, медная облицовка будет, по крайней мере, столь же эффективной. Исследователи протестировали свое устройство на гораздо меньшем по размеру устройстве, чем те, в которых используются обычные радиаторы, и отметили 740%-ное увеличение производительности на единицу объема. Это означает, что «при использовании нашего покрытия можно уложить гораздо больше печатных плат в тот же объем, чем при использовании обычных радиаторов с жидкостным или воздушным охлаждением«, — объясняет Гебраэль.

Еще одним преимуществом новой системы является то, что в перспективе она может оказаться полезной для объектов, обрабатывающих большие объемы данных, таких как центры обработки данных. Следующий шаг исследовательской группы — изучение надежности и долговечности покрытия в различных средах, таких как кипящая вода, кипящие диэлектрические жидкости и высоковольтные среды.