Heutzutage ist Wärme aus dichter Elektronik eine teure Ressource. Um das System auf der richtigen Temperatur für eine optimale Rechenleistung zu halten, verbraucht das Kühlsystem des US-Rechenzentrums so viel Energie und Wasser wie alle Einwohner von Philadelphia. Durch die Integration von Flüssigkeitskühlkanälen direkt in Halbleiterchips hoffen die Forscher nun, diesen Verlust zumindest in der Leistungselektronik zu reduzieren, sie kleiner, billiger und weniger energieintensiv zu machen.
Traditionell werden elektronische Geräte und Wärmemanagementsysteme getrennt entwickelt und hergestellt, sagt Elison Matioli, Professorin für Elektrotechnik an der Ecole Polytechnique in Lausanne, Schweiz. Dies stellt ein grundlegendes Hindernis für eine verbesserte Kühleffizienz dar, da Wärme relativ lange Strecken über mehrere Materialien zurücklegen muss, bevor sie abgeführt werden kann. In heutigen Prozessoren übertragen beispielsweise Siphons aus heißem Material die Wärme vom Chip auf sperrige, luftgekühlte Kupferrippen.
Für eine energieeffizientere Lösung entwickelten Matioli und seine Kollegen ein kostengünstiges Verfahren, bei dem ein 3D-Netzwerk mikrofluidischer Kühlkanäle direkt in den Halbleiterchip eingebracht wird. Flüssigkeit leitet Wärme besser ab als Luft, und die Idee besteht darin, den Kühlmittelmikrometer von der heißen Stelle auf dem Chip fernzuhalten.
Aber anders als zuvor berichtete mikrofluidische Kühlung sagte er:"Wir entwickeln die Elektronik und das Kühlsystem von Anfang an.&Zitat; Somit befindet sich der Mikrokanal direkt unter dem aktiven Bereich jedes Transistorbauelements, wo er seine höchste Temperatur aufweist, was die Kühlleistung um den Faktor 50 erhöht. In einer aktuellen Ausgabe von nature berichteten sie über ihr gemeinsames Designkonzept.
Bereits 1981 schlugen Forscher die Microchannel-Kühltechnologie vor, und Start-ups wie Cooligy verfolgen seit Jahren die Idee von Prozessoren. Die Halbleiterindustrie bewegt sich jedoch von planaren Geräten zu dreidimensionalen Geräten und hin zu zukünftigen Chips mit Mehrschichtstrukturen, wodurch Kühlkanäle unpraktisch werden."Diese eingebettete Kühllösung ist nicht für moderne Prozessoren und Chips wie CPUs geeignet," sagte TiweiWei, der elektronische Kühllösungen am Interuniversity Microelectronics Center und der KU Luuven in Belgien erforscht."Stattdessen ist diese Kühltechnologie für die Leistungselektronik am sinnvollsten," er sagte.
Leistungselektronische Schaltungen verwalten und wandeln elektrische Energie um und werden häufig in Computern, Rechenzentren, Sonnenkollektoren und Elektrofahrzeugen verwendet. Sie verwendeten großflächige diskrete Bauelemente aus Halbleitern mit großer Bandlücke wie Galliumnitrid. Die Leistungsdichte dieser Geräte ist in den letzten Jahren sprunghaft angestiegen, was bedeutet, dass sie"an einen riesigen Strahler angeschlossen werden müssen," sagte Matoli.
In jüngerer Zeit haben sich Leistungselektronikmodule auf Flüssigkeitskühlung umgestellt, entweder durch Kühlplatten- oder Mikrokanal-Kühlsysteme. Bisher wurden jedoch alle Microchannel-Kühlsysteme separat gefertigt und dann mit dem Chip kombiniert. Die Verbindungsschicht erhöht die Hitzebeständigkeit, Kanäle und Schaltungsausrüstung sind nicht eng ausgerichtet.
& quot;Wir haben es auf die nächste Ebene gebracht," Sagt Matoli, indem er Geräte und Kühlkanäle im selben Chip herstellt. Sie ätzten mikrometerbreite Risse in eine Schicht aus Galliumnitrid, die auf ein Siliziumsubstrat aufgetragen wurde. Schlitzlänge 30μm, Tiefe 115μm. Mit speziellen Gasätztechniken erweitern sie Lücken im Siliziumsubstrat, um Kanäle zu bilden, durch die das flüssige Kühlmittel strömt.
Die Forscher verwendeten dann Kupfer, um winzige Öffnungen in den Galliumnitridschichten zu versiegeln und darauf Geräte zu bauen."Wir haben nur Mikrokanäle in winzigen Bereichen des Wafers, die mit jedem Transistor in Kontakt stehen," er sagte. Dies macht die Technologie viel effektiver, da wir viel Wärme aus der Nähe gewinnen können, aber die Pumpleistung, die wir verwenden, ist sehr gering.&Zitat;
Zur Demonstration bauten die Forscher eine AC-DC-Gleichrichterschaltung bestehend aus vier Schottky-Dioden, von denen jede eine Spannung von 1,2 kV verarbeiten kann. Schaltungen wie diese erfordern normalerweise einen faustgroßen Kühler. Aber der Schaltungschip mit der Flüssigkeitskühlung ist auf einer Leiterplatte von der Größe eines USB-Sticks montiert. Die Platine besteht aus drei Schichten, in die Kanäle eingearbeitet sind, um das Kühlmittel zum Chip zu leiten.
Das Display zeigt, dass Hot Spots mit einer Leistungsdichte von mehr als 1.700 Watt pro Quadratzentimeter mit nur 0,57 Watt pro Quadratzentimeter Pumpleistung gekühlt werden können. Dies ist eine 50-fache Leistungssteigerung im Vergleich zur zuvor berichteten mikrofluidischen Kanalkühlung.
& quot;Die Zuverlässigkeit von Galliumnitridfilmen und Kupferdichtungen sollte im Laufe der Zeit untersucht werden. Aber diese innovative Kühllösung ist ein großer Schritt hin zu einem kostengünstigen, ultrakompakten und energieeffizienten Kühlsystem für Leistungselektronik.