Semiconductor technology & processing

10 min

Een koude douche voor chips

Kan 3D-printen een kosteneffectieve oplossing bieden voor het koelen van elektronica?

Scroll

Een briesje of een scheutje water?

Aan het koelen van elektronica in grote datacenters hangt een zwaar prijskaartje. Naar schatting is bijna de helft van de elektriciteitsrekening bestemd voor het voeden van de ventilatoren voor luchtkoeling. Bovendien bereikt luchtkoeling al snel zijn capaciteitslimiet bij toenemende energie-intensieve applicaties en serverdichtheden en hebben serverruimtes onvoldoende plaats voor de grote ventilatoren. Vloeibare koelmiddelen winnen steeds meer aan belang als economisch verantwoord alternatief om tegemoet te komen aan almaar groeiende koel- en plaatsnoden.

Vandaar dat veel grote datacenters nu de sprong maken van lucht- naar vloeistofkoeling. En hoewel de overgang al een aanzienlijke verbetering van de koelingsefficiëntie betekent, is er nog steeds veel te winnen met het specifieke ontwerp van de koeler. De meest gangbare methode van vloeistofkoeling is via het gebruik van 'koude platen'. Deze metalen platen met stroombanen geleiden vloeistoffen en worden direct op de chip gelijmd. Nadelen van deze techniek zijn de aanwezigheid van de lijm als thermisch interfacemateriaal (TIM), waardoor een vaste thermische weerstand wordt gecreëerd, en de vorming van een temperatuurgradiënt over het chipoppervlak. Vooral de lijmlaag vormt een echt thermisch knelpunt voor de warmteafvoer dat niet kan worden verholpen door verdere optimalisatie van de koeler zelf. Vloeistofstraalcontactkoeling (‘liquid jet impingement cooling’) kan een oplossing zijn. Door de achterkant van de chip te openen en direct contact tussen het vloeibare koelmiddel en de chip mogelijk te maken, wordt de TIM-thermische weerstand vermeden. Bovendien zorgt het verticale contact ervoor dat alle vloeistof die het chipoppervlak raakt, dezelfde inlaattemperatuur heeft.

Vloeibare economie

Herman Oprins, senior wetenschapper in het Mechanical and Thermal Modeling and Characterization team van imec: 

"Imec’s nieuwe vloeistofstraalcontactkoeler koelt direct de achterkant van hoog-performante chips of chipstapels, maar is vervaardigd via goedkope fabricagetechnieken voor polymeren. Het belangrijkste onderdeel van het systeem is een matrix van ‘sproeiers’ die fungeert als een 'douchekop' voor elke chip.” 

De matrix van sproeiers bestaat uit inlaten en uitlaten verdeeld over de sproeierplaat. De inlaatbuizen in het inlaatplenum voeden de vloeistof in de individuele inlaatsproeiers, terwijl de uitlaatbuizen in de bovenstaande laag de uitstroom opvangen. De interactie tussen inlaat- en uitlaatstromen vindt plaats in het holtegebied waar de vloeistof in contact is met de chip.

cross section of the 3D printed cooler

Doorsnede van de 3D-geprinte koeler.

Contactkoeloplossingen werden al met succes geïmplementeerd in grote (30-50cm) modules voor vermogenselektronica die kilowatts genereren. Voor de integratie op chip- of verpakkingsniveau zijn veel oplossingen voorgesteld voor onverpakte chips (‘bare die’), voornamelijk gebaseerd op dure siliciumverwerkingstechnieken. Imec presenteert een goedkoop maar zeer efficiënt alternatief op basis van 3D-printtechnieken. Hoewel deze techniek de resolutie van silicium sproeiers niet kan bereiken, is dit misschien niet nodig. Het is waar dat de thermische prestatie van kleinere openingen groter is, maar de noodzaak voor een hogere pompdruk om de koelvloeistof door de sproeiers te geleiden, maakt de totale opbrengst beperkt. Bovendien tonen imec's simulaties en metingen aan dat een vergelijkbare prestatie kan worden bereikt met sproeiers van mm-formaat tegen gereduceerde kosten.

Hoeveel sproeikoppen heb je nodig om een chip te koelen?

Om het optimale aantal sproeiers, de sproeierafstand en sproeierdiameter te bepalen, hebben imec-onderzoekers simulaties uitgevoerd voor een 8x8mm2 testchip. Ze toonden aan dat hoe meer sproeiers er geïntroduceerd worden, hoe meer de temperatuur daalt en hoe uniformer het temperatuurprofiel. En ook, hoe meer sproeiers er nodig zijn, hoe kleiner ze worden voor een bepaald chipoppervlak. Een groter aantal sproeiers met een kleine diameter kan inderdaad een betere thermische prestatie leveren - of een afname in thermische weerstand - maar gaat ten koste van het vereiste pompvermogen.

Evenzo kan het verhogen van de stroomsnelheid resulteren in een verdere toename in thermische prestatie, maar dit vereist opnieuw een hogere druk. Rekening houdend met deze afweging tussen thermische prestaties (in termen van thermische weerstand) en pompvermogen, tonen de simulaties aan dat het minder energie-efficiënt wordt om meer dan 1 sproeier per mm2 te gebruiken. Bijgevolg is de diameter van de sproeier voor een cel van mm2 bij verzadigde prestatie in het bereik van enkele honderden μm. De simulatieresultaten werden bevestigd met een testcontactkoeler, gemaakt voor de 8x8mm2 testchip.

For a constant pumping power (Wp) thermal performance saturates beyond an 8x8 nozzle array.

Voor een constant pompvermogen (Wp) verzadigt de thermische prestatie voor matrices met meer dan 8-bij-8 sproeiers.


Een koeler materiaa

De keuze van het aantal sproeiers en de sproeierdiameter heeft invloed op de vereiste fabricagetechnologie, waarbij fijnere sproeierdiameters duurdere verwerkingsopties vereisen. Voor de 8x8mm2 testchip en bijbehorende sproeierdiameters is 3D-printen een haalbare optie. Recente verbeteringen in de techniek maken het mogelijk om structuren af te drukken met diameters tussen 100μm en 1mm. Siliciumverwerking heeft het voordeel om gaatjes met een diameter onder 10μm te kunnen fabriceren met behulp van de Deep Reactive Ion Etching (DRIE)-technologie. De kosten van siliciumverwerking liggen echter een pak hoger dan bij de andere fabricagemethoden. Bovendien toonden de imec-simulaties aan dat verdere verkleining van de sproeierdiameter niet noodzakelijk is, aangezien de thermische prestatie dan verzadigt.

Polymeerfabricage kan dan wel goedkoper zijn dan siliciumverwerkingstechnieken, maar voldoet het aan dezelfde prestatienormen? Polymeren hebben immers een veel lagere thermische geleidbaarheid in vergelijking met silicium, wat resulteert in een hogere thermische weerstand voor thermische geleiding. Goede warmtegeleiders zoals koper of aluminium worden daarom meestal gebruikt voor koellichamen in tegenstelling tot isolatoren zoals polymeren. De simulatieresultaten tonen inderdaad aan dat een polymeerkoeler dezelfde prestaties heeft als een silicium- of koperkoeler, omdat de warmteafvoer in dit geval wordt gedomineerd door geforceerde convectie in het koelmiddel. Dit opent mogelijkheden voor het gebruik van polymeergebaseerde goedkopere productiemogelijkheden.
 

(Left) Imec’s liquid jet impingement cooler is attached to the chip. (Right) The nozzle array sprays cooling fluid directly onto the open backside of the chip.

(Links) De vloeistofstraalcontactkoeler van imec bevestigd aan de chip. (Rechts) De sproeiermatrix spuit koelvloeistof rechtstreeks op de open achterkant van de chip.

Hoe cool is de imec-chipkoeler?

Om de koeler in het juiste perspectief te plaatsen, werd deze vergeleken met gepubliceerde data van andere contactkoelers in termen van thermische weerstand en pompvermogen. Imec-onderzoekers keken naar koelers gefabriceerd in verschillende materialen: silicium, keramiek, metaal en kunststof. De imec-koeler vertoont een zeer goede thermische prestatie van 0,13cm2K/W voor de 8x8 sproeiermatrix bij een debiet van 1000ml/minuut en een drukval van 0,3bar tussen de inlaat en de uitlaat van de koeler. Met andere woorden, met deze koeler zal de chip slechts 13°C opwarmen voor elke 100W/cm2, de typische vermogensdichtheid voor een standaardprocessor, waarbij de limiet rond de 100°C ligt. Met deze prestaties zou koeling van 500W/cm2 haalbaar zijn, waardoor het een van de beste koelingsprestaties in de literatuur is.

Alleen siliciumgebaseerde koelers met μ-afstand sproeiers presteren beter dan de imec-koeler. Die koelers hebben echter tot vijf keer meer pompvermogen nodig en zijn aanzienlijk duurder. Uiteindelijk is het prijskaartje een belangrijk criterium voor benchmarking. De keuze voor een bepaalde fabricagetechniek of -materiaal is gebaseerd op het doel om zoveel koelvermogen per pompvermogen te bereiken. Maar het bepaalt ook de prijs van de koeler, waardoor de energiekosten voor datacenters enorm zijn. Deze nieuwe ontdekkingen maken grote datacenters warm voor "coole" besparingen. 

 

Meer weten?

Over Herman Oprins

Herman Oprins is senior ingenieur bij imec in Leuven, België. Hij ontving zijn M.Sc en Ph.D. diploma in Mechanical Engineering van de K.U. Leuven, België. In 2003 trad hij in dienst bij imec, waar hij promoveerde en werkte aan de ontwikkeling en modellering van een electrowetting geassisteerde koeltechniek. In die periode werkte hij ook aan modellerings- en experimentele projecten op het gebied van thermisch beheer van elektronische pakketten. Sinds 2009 is hij senior ingenieur in imec, waar hij betrokken is bij de thermische experimentele karakterisering, thermische modellering en thermisch beheer van 3D-systeemintegratie, elektronische chippakketten, BEOL, Si-fotonica en GaN-vermogenstransistors.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies