Cuanto más pequeños y densos son los dispositivos electrónicos, más se calientan. Sus componentes funcionan peor a altas temperaturas, así que combatir el calor cada vez más intenso que producen los electrones al circular a través de los semiconductores de estos elementos supone un formidable (y apremiante) reto tecnológico.
Existen varias formas de refrigerar los componentes, desde simples intercambiadores de calor enfriados con ventiladores hasta sistemas más compactos y complejos. Uno de estos últimos métodos consiste en equipar los chips semiconductores con un dispositivo diminuto surcado por microcanales a través de los cuales circula un fluido que disipa el calor. En principio, convendría que estos canales tuvieran el menor tamaño posible, para que cupieran muchos en un solo chip. Sin embargo, al reducir sus dimensiones aumenta la presión requerida para que fluya el líquido, y eso se traduce en un mayor coste energético.
Ahora, científicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) afirman haber desarrollado una nueva tecnología que mejora la eficiencia energética de esos sistemas. El nuevo enfoque consiste en grabar la red de microcanales (cuya estructura se inspiró en el aparato circulatorio del ser humano) directamente en el propio semiconductor, en vez de acoplarla a él. Los hallazgos se publicaron este septiembre en la revista Nature.
Elison Matioli, profesor del Instituto de Ingeniería Eléctrica de la EPFL, y sus colaboradores emplearon un chip con una fina capa de un material semiconductor llamado nitruro de galio (GaN) colocada sobre un sustrato de silicio de mayor grosor. En un chip normal este sustrato simplemente sirve de soporte a la capa de GaN, pero en el nuevo sistema los microcanales se graban en el sustrato y se alinean con las partes del chip que más suelen calentarse.
Para abordar el problema de la gran cantidad de energía necesaria para bombear agua o cualquier otro líquido refrigerante a través de los diminutos canales, los investigadores diseñaron una red de distribución formada por conductos más anchos que solo se estrechan en los lugares concretos donde se concentra el calor. Esta disposición logra reducir de manera drástica el consumo de energía.
«Es como nuestro sistema circulatorio, cuyos vasos sanguíneos solo se estrechan hasta transformarse en capilares en determinadas zonas del cuerpo», explica Mattioli. Algunos de los experimentos tuvieron que llevarse a cabo en un laboratorio improvisado en el apartamento de un investigador, después de que la pandemia de COVID-19 obligara a cerrar las instalaciones del Instituto de Ingeniería Eléctrica. Los resultados mostraron que el coeficiente de rendimiento (que mide la eficiencia del dispositivo) era 50 veces mayor que el obtenido con otro sistema de enfriamiento que emplea microcanales de grosor uniforme y no está integrado en el semiconductor.
De acuerdo con Tiwei Wei (investigador del Centro Interuniversitario de Microelectrónica y la Universidad Católica de Lovaina, y uno de los expertos a los que Nature encargó la revisión del artículo), el principal avance de este nuevo enfoque es su innovador método de fabricación, donde las estructuras electrónicas y de refrigeración se construyen en un único proceso. Wei añade que esta integración permite situar los microcanales mucho más cerca de zonas sobrecalentadas concretas y enfriar los componentes de manera más eficiente.
«Es un artículo importante, porque tiende un puente entre dos áreas, la electrónica de potencia y la refrigeración de dispositivos, que suelen tratarse por separado en la mayoría de las investigaciones», asegura Xianming (Simon) Dai, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Texas en Dallas, que no participó en el estudio.
La ingeniería térmica no suele ser una prioridad y solo se tiene en cuenta una vez que ya se ha diseñado el sistema electrónico. Pero como señala William King, catedrático de ingeniería y ciencia mecánica en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, algunos grupos de investigación han comenzado a plantearse diseñar a la vez los dispositivos electrónicos y los de refrigeración. «Este artículo supone una contribución importante, pues demuestra lo que se puede conseguir», valora King, que tampoco tomó parte en el trabajo.
Una de las limitaciones del estudio, según Wei, es que el nuevo sistema de refrigeración se aplica a un caso relativamente sencillo. «El siguiente paso podría consistir en adaptar el concepto al diseño de un convertidor de última generación», sugiere, y añade que también habría que estudiar la integridad estructural de la fina capa de GaN situada sobre los microcanales. «Me preocupa que, a largo plazo, el líquido que atraviesa los canales bajo el dispositivo pueda inducir un estrés que afecte al mismo.»
Por su parte, King opina que el siguiente objetivo debería ser demostrar que es posible usar los microcanales de refrigeración en otros materiales y explorar las posibilidades de geometrías tridimensionales más complejas. «A medida que vayan desarrollando el concepto», vaticina, «es probable que los diseños se parezcan cada vez más a una red capilar del sistema circulatorio humano, con una estructura ramificada que conecte canales anchos con otros más estrechos»
King señala que la gestión del calor constituye una limitación importante para cualquier sistema electrónico, sobre todo en dispositivos de potencia como los que se emplean en los vehículos híbridos y eléctricos, la red eléctrica y las telecomunicaciones.
«En principio, esta tecnología podría usarse en cualquier sistema electrónico: por ejemplo, para refrigerar chips de ordenador, o en aplicaciones como las placas solares o los vehículos eléctricos, que pueden tener una densidad de potencia elevada», afirma Mattioli. No obstante, indica que probablemente no representará una solución universal, puesto que no siempre resulta recomendable tener líquido circulando en el interior de los componentes electrónicos.
Mattioli vislumbra un gran potencial para los centros de datos, que consumen ingentes cantidades de energía, en gran medida debido a los sistemas de refrigeración. En conjunto, todos los centros de datos de Estados Unidos gastan una cantidad de electricidad y agua comparable a las necesidades domésticas de una ciudad como Filadelfia, asevera. Y, en promedio, un 30 por ciento de la energía se invierte en refrigeración. Mattioli y su equipo sostienen que ese gasto podría reducirse significativamente con la adopción del nuevo enfoque.
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