- Peking University entwickelt ein eingebettetes Kühlsystem, das die Chip-Kühlleistung verbessert.
- Das System nutzt eine elektrisch isolierende Flüssigkeit zur Wärmeabfuhr; erste Tests zeigen eine kritische Wärmestromdichte von 1,570 Watt.
- Die Forscher wählten HFE-7100 als Kühlmittel und gestalteten Kanäle zur Optimierung der Wärmeübertragung.
- Die Technologie lässt sich in standardmäßige Halbleiterprozesse integrieren; weitere Tests zur Validierung der Leistung sind erforderlich.
Forscher der Peking University haben ein eingebettetes Kühlsystem entwickelt, das mithilfe einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit Wärme aus elektronischen Chips abführt. Erste Tests zeigen, dass die kritische Wärmestromdichte des Systems 1,570 Watt pro Quadratzentimeter erreicht. Im Design sind winzige Kühlkanäle nahe den Heizbereichen des Chip-Substrats angeordnet; wenn die Flüssigkeit durch diese Kanäle strömt, nimmt sie Wärme auf und wandelt sich teilweise in Dampf um, der anschließend über speziell konfigurierte Auslässe abgeführt wird.
Integrierte Schaltkreise enthalten miteinander verbundene Komponenten, die Informationen verarbeiten oder elektrische Signale steuern. Ihr Betrieb erzeugt Wärme, daher ist eine effektive Kühlung für die Leistung und den langfristig stabilen Betrieb entscheidend. Eingebettete Kühlung löst dieses Problem, indem mikroskopische Kanäle direkt in das Trägermaterial der Schaltung graviert werden, wodurch Kühlmittel an Stellen mit konzentrierter Wärme gelangt und diese aufnehmen und abführen kann. Wasser hat gute thermische Eigenschaften, doch seine potenzielle elektrische Leitfähigkeit erfordert Vorsichtsmaßnahmen zum Schutz der Chipkomponenten. Die Forscher Wei Xiao, Wu Zhihu und Kollegen weisen darauf hin: „Eingebettete Kühlung – also das direkte Ätzen mikrofluidischer Strukturen auf dem Chip-Substrat, um flüssiges Kühlmittel in die Nähe heißer Punkte zu bringen – kann Wasser als Kühlmittel verwenden und Wärmestromdichten von bis zu 3,000 W cm−2 abführen.“
Das Prinzip der eingebetteten Kühltechnologie
Das Team entschied sich für HFE-7100 als dielektrisches Kühlmittel und gestaltete das System entsprechend des Übergangs dieser Flüssigkeit von flüssig zu Dampf. Die Forscher stellten die Kühlstruktur mit einer in der Elektronikfertigung weit verbreiteten Technik her. Nahe den Heizbereichen des Testchips wurde neben den Kanälen auch ein Manifold entworfen, um eintretendes Kühlmittel zu verteilen und die aus den Kanälen austretende Flüssigkeit zu sammeln. Diese Konfiguration kombiniert horizontale Einlässe und vertikale Auslässe. Frische Flüssigkeit tritt horizontal ein, um Kühlmittel nachzufüllen, während die vertikalen Kanäle die Ableitung von Dampf unterstützen. Wenn HFE-7100 in den Kanälen siedet, nimmt es Wärme auf; das entstehende Flüssigkeits-Gas-Gemisch wird anschließend über die Auslässe abgeführt und transportiert Energie ab.
Die Forscher erklären: „Der Kern der verbesserten Wärmeübertragung liegt in dem technisch gestalteten horizontalen oberen Manifold, dessen Design horizontale Einlässe zur Förderung der Flüssigkeitsnachfüllung und vertikale Auslässe zur Beschleunigung des Dampfabzugs aufweist.“ Die in ersten Tests gemessene kritische Wärmestromdichte beträgt 1,570 Watt pro Quadratzentimeter; dieser Wert markiert den kritischen Punkt, an dem das Sieden keine effektive Kühlung mehr bietet. Diese Zahl beschreibt den Wärmeübergang pro Flächeneinheit, nicht die gesamte Wärmeabfuhr des gesamten Chips. Die Forscher berichten, dass frühere dielektrische Kühltechniken selbst mit Vorkühlung und Vordruckbeaufschlagung üblicherweise auf unter 1,000 Watt pro Quadratzentimeter begrenzt waren.
Künftige Anwendungen und Herausforderungen
Die Forscher weisen darauf hin: „Da unser Verfahren MEMS-Technologie verwendet, lässt es sich direkt in standardmäßige Halbleiterprozesse integrieren und für künftige elektronische Produkte skalieren.“ Weitere Tests an kommerziell erhältlichen Geräten und im Langzeitbetrieb sind nach wie vor erforderlich, um Leistung und Zuverlässigkeit zu bestimmen. Diese Experimente können klären, wie effektiv das Design in realen elektronischen Systemen Wärme bewältigt. Dielektrische Flüssigkeiten können das Kurzschlussrisiko verringern, obwohl ihre Kühlleistung in der Regel geringer ist. Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature Electronics veröffentlicht und untersucht einen Zielkonflikt bei der Chipkühlung: Wasser kann Wärme effektiv abführen, doch gelöste Verunreinigungen können es elektrisch leitfähig machen.
Auswirkungen neuer Kühltechnologien auf elektronische Produkte
Mit der steigenden Leistungsfähigkeit elektronischer Geräte wird das Problem der Wärmeableitung immer drängender; eingebettete Kühlsysteme bieten eine wirksame Lösung. Diese Technologie kann nicht nur die Wärmestromdichte erhöhen, sondern auch das Kurzschlussrisiko verringern und bietet potenzielle Vorteile für das Design künftiger elektronischer Produkte. Obwohl die aktuellen Testergebnisse eine gute Kühlleistung zeigen, sind vor einer kommerziellen Anwendung weitere Langzeittests erforderlich, um Zuverlässigkeit und Leistung sicherzustellen; dies ist entscheidend für die Weiterentwicklung künftiger Elektroniktechnologien.