Совокупное тепловыделение трехмерного чипа площадью 4 см2 и толщиной около 1 мм приближается к одному киловатту, что в 10 раз превышает тепловыделение электрической плитки. С целью эффективного отвода тепла от источника вода подается в расположенные между отдельными слоями чипа охлаждающие каналы, по толщине сравнимые с человеческим волосом (50 микронов).

При проведении экспериментов ученые пропускали воду через испытательный образец размером 1 х 1 см, который состоял из двух пластин (источников тепла) с размещенным между ними охлаждающим слоем. Этот слой имел размеры всего около 100 микронов в высоту и 10 тыс. вертикальных межсоединений на один см2.

Исследователи смогли обеспечить максимальный поток воды сквозь слои, сохранив при этом герметичную изоляцию межсоединений, препятствующую электрическим замыканиям вследствие воздействия воды. Созданную систему охлаждения ученые сравнивают с человеческим мозгом, в пространстве которого миллионы нейронов для передачи сигналов пересекаются с десятками тысяч кровеносных сосудов для охлаждения и энергоснабжения, не влияя друг на друга.

Создание отдельных слоев было достигнуто при использовании существующих методов производства, за исключением дополнительных операций, связанных с формированием отверстий для передачи сигналов между слоями. С целью изоляции этих «нервов» ученые оставили вокруг каждого межсоединения кремниевую оболочку (технология through-silicon vias) и добавили тонкий слой окиси кремния для защиты электрических межсоединений от воды. Такие структуры должны изготавливаться с точностью до 10 микронов, что в 10 раз превышает требования при изготовлении межсоединений и металлических элементов в современных чипах.

Для сборки отдельных слоев группа ученых разработала сложную технологию тонкопленочной пайки. С помощью этой технологии ученые достигли высоких показателей по качеству, точности и надежности, что гарантирует хороший тепловой контакт и отсутствие электрических замыканий. На завершающем этапе собранный чип был помещен в кремниевый охлаждающий контейнер, напоминающий миниатюрный бассейн. Вода закачивается в этот контейнер с одной стороны, протекает между отдельными слоями чипа и отводится с другой стороны контейнера.

С помощью моделирования ученые экстраполировали экспериментальные результаты на чип площадью 4 см2, при этом расчетная холодопроизводительность составила 180 Вт/см2.

В дальнейшем исследователи займутся оптимизацией систем охлаждения для чипов с уменьшенными размерами и с увеличенным числом межсоединений. Кроме того, группа будет исследовать возможность дальнейшего совершенствования структур для охлаждения отдельных горячих точек.