Heutzutage ist die von dichten elektronischen Geräten erzeugte Wärme ein teurer Ressourcenverbrauch. Um das System auf der richtigen Temperatur für eine optimale Rechenleistung zu halten, verbraucht das Kühlsystem in den USA so viel Energie und Wasser wie alle Einwohner Philadelphias. Durch die direkte Integration des Flüssigkeitskühlkanals in den Halbleiterchip hoffen die Forscher nun, diesen Verlust bei leistungselektronischen Geräten zumindest zu reduzieren, sie kleiner, kostengünstiger und energiesparender zu machen.
Traditionell werden elektronische Geräte und Wärmemanagementsysteme separat entwickelt und hergestellt, sagt Elison Matioli, Professorin für Elektrotechnik am Ecole Institute of Technology in Lausanne, Schweiz. Dies stellt ein grundlegendes Hindernis für die Verbesserung der Kühleffizienz dar, da die Wärme in mehreren zu entfernenden Materialien eine relativ lange Strecke zurücklegen muss. In den heutigen Prozessoren von' übertragen beispielsweise Wärmeleitmaterial-Siphons die Wärme vom Chip auf den sperrigen luftgekühlten Kupferkühlkörper.
Um eine energieeffizientere Lösung zu erhalten, entwickelten Matioli und seine Kollegen ein kostengünstiges Verfahren, das das 3D-Netzwerk mikrofluidischer Kühlkanäle direkt in den Halbleiterchip einbringt. Flüssigkeit kann Wärme besser abführen als Luft. Die Idee ist, den Kühlmittelmikrometer von den heißen Stellen des Chips fernzuhalten.
Aber im Gegensatz zu der zuvor berichteten mikrofluidischen Kühltechnologie sagte er:"Wir entwickeln elektronische Geräte und Kühlsysteme von Anfang an." Daher befindet sich der Mikrokanal unter dem aktiven Bereich jedes Transistorbauelements, wo seine Temperatur am höchsten ist, was die Kühlleistung um das 50-fache erhöht. Sie berichteten über ihr gemeinsames Designkonzept in der jüngsten"Nature" Zeitschrift.
Forscher haben bereits 1981 die Mikrokanal-Kühltechnologie vorgeschlagen, und auch Start-up-Unternehmen wie Cooligy verfolgen das Konzept der Prozessoren. Die Halbleiterindustrie verlagert sich jedoch von planaren zu dreidimensionalen Geräten und bewegt sich hin zu zukünftigen Chips mit Mehrschichtstrukturen, was Kühlkanäle unpraktisch macht."Diese Art von eingebetteter Kühllösung ist für moderne Prozessoren und Chips wie CPUs nicht geeignet," sagte Tiwei Wei, der am Interuniversity Microelectronics Center und der KU Luuven in Belgien elektronische Kühllösungen studiert."Im Gegenteil, diese Art der Kühltechnik ist für die Leistungselektronik am sinnvollsten," er sagte.
Leistungselektronische Schaltungen verwalten und wandeln elektrische Energie um, die in Bereichen wie Computern, Rechenzentren, Sonnenkollektoren und Elektrofahrzeugen weit verbreitet ist. Sie verwendeten großflächige diskrete Bauelemente aus Halbleitern mit großer Bandlücke wie Galliumnitrid. Die Leistungsdichte dieser Geräte ist in den letzten Jahren stark gestiegen, das heißt, sie müssen mit einem riesigen Kühlkörper," sagte Matoli.
In letzter Zeit haben sich leistungselektronische Module der Flüssigkeitskühlung zugewandt, sei es durch Kühlplatten oder Mikrokanal-Kühlsysteme. Bisher wurden jedoch alle Mikrokanal-Kühlsysteme separat gefertigt und dann mit Chips kombiniert. Die Verbindungsschicht erhöht die Wärmebeständigkeit und der Kanal und die Schaltungsvorrichtung sind nicht eng ausgerichtet.
GG quot;Wir haben es auf die nächste Stufe gebracht," Matoli sagte, durch die Herstellung von Geräten und Kühlkanälen im selben Chip. Sie ätzten mikrometerbreite Risse in die auf dem Siliziumsubstrat aufgebrachte Galliumnitridschicht. Der Schlitz ist 30 µm lang und 115 µm tief. Mit einer speziellen Gasätztechnologie erweitern sie den Spalt auf dem Siliziumsubstrat zu einem Kanal, durch den das flüssige Kühlmittel strömt.
Dann verwendeten die Forscher Kupfer, um die winzigen Öffnungen in der Galliumnitrid-Schicht zu versiegeln, und stellten darauf Geräte her. Er sagte:"Wir haben nur Mikrokanäle in winzigen Bereichen des Wafers, und diese Mikrokanäle haben Kontakt zu jedem Transistor. Dies macht diese Technologie effektiver, da wir viel Wärme aus der Nähe gewinnen können, aber die Pumpleistung, die wir verwenden, ist sehr gering."
Als Demonstration haben die Forscher eine AC-DC-Gleichrichterschaltung aus vier Schottky-Dioden hergestellt, jede Diode kann eine Spannung von 1,2 kV verarbeiten, eine Schaltung wie diese erfordert normalerweise einen faustgroßen Kühlkörper. Der in das Flüssigkeitskühlsystem integrierte Schaltungschip ist jedoch auf einer Leiterplatte von der Größe eines USB-Sticks montiert. Die Platine besteht aus drei Schichten mit eingravierten Kanälen, um die Kühlflüssigkeit an den Chip zu liefern.
Das Display zeigt, dass Hot Spots mit einer Leistungsdichte von mehr als 1700 W/cm² mit nur 0,57 W/cm² Pumpleistung gekühlt werden können. Verglichen mit der zuvor berichteten mikrofluidischen Kanalkühlung wird die Leistung um das 50-fache verbessert.
Wei sagte,"Die Zuverlässigkeit des Galliumnitridfilms und der Kupferversiegelungsschicht sollte im Laufe der Zeit untersucht werden. Aber diese innovative Kühllösung ist ein Schritt in Richtung eines kostengünstigen, ultrakompakten und energiesparenden leistungselektronischen Kühlsystems von GG." Ein großer Schritt nach vorn."
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