AutomotiveSmart IndustriesSemiconductor technology & processingHeterogeneous integration

15 min

Hoe houden we vermogenelektronica en optoelektronische sensoren koel?

Door een voortdurende toename in chip-dichtheid genereren systemen alsmaar meer warmte. Dit geldt bijvoorbeeld voor toepassingen binnen de ‘slimme fabriek’ of ‘slimme mobiliteit’, waar typisch de nieuwste generatie vermogenelektronica wordt gebruikt. Philippe Soussan, programmadirecteur binnen imecs sense & actuate unit, en zijn team stellen een efficiënte koelingsmethode voor die gebruik maakt van microkanaalstructuurtjes. Deze oplossing wordt op maat van de toepassing aangeboden.

Warmtegeneratie – de keerzijde van een toenemende chip-dichtheid

Meer en meer geminiaturiseerde en krachtige componenten samenbrengen in alsmaar kleinere verpakkingen: het is een belangrijke trend bij de fabricage van elektronische producten. Deze evolutie kenmerkt bijvoorbeeld de microelektronica-industrie, waar meer en meer wordt ingezet op 3D-integratietechnologieën om compacte, krachtige rekensystemen te maken – een manier om de Wet van Moore te verlengen. Maar we zien de trend ook terugkomen in toepassingsdomeinen zoals de slimme fabriek en slimme mobiliteit, waar meer rekening moet worden gehouden met systeembeperkingen. Hier worden slimme robots – geleid door sensoren en actuatoren – uitgerust met compacte hoog-performante microsystemen. Deze systemen implementeren typisch de nieuwste generatie aan vermogenelektronica, die bij hoge frequenties kan werken en bestand is tegen hogere temperaturen. 

Maar door deze evolutie neemt ook de warmtegeneratie van de systemen dramatisch toe, en dat brengt hun performantie en betrouwbaarheid in het gedrang.

De huidige oplossingen die lucht gebruiken om te koelen, zijn niet in staat om het teveel aan warmte uit het kleine systeem af te voeren. De industrie is daarom op zoek naar innovatieve koelingstechnologieën die dat wel kunnen.

In het voorbeeld van de slimme fabriek of van autonome voertuigen zijn daar heel wat uitdagingen aan verbonden. De koellichamen moeten robuust en goedkoop zijn, en moeten heel wat warmte kunnen afvoeren: ze moeten een warmte-dissipatie van 500W/cm2 of meer kunnen halen. Wanneer een vloeistof gebruikt wordt om warmte af te voeren, dan mag er geen vloeistof naar het systeem vloeien. De plaats om dergelijk koelsysteem te implementeren, is bovendien erg klein, en het systeem mag de beweeglijkheid van de robot niet beperken.

De troeven van microfluïdica 

Doorheen de jaren werden er heel wat oplossingen voorgesteld om warmte af te voeren – zoals systemen op basis van luchtkoeling, twee-fasische koelsystemen en zogenaamde jet impingement (of vloeistofstraalcontactkoelings-) systemen. Al deze systemen hebben zo hun eigen voor- en nadelen. Onder de verschillende benaderingen blijkt het gebruik van microkanaalstructuurtjes erg effectief te zijn om warmte af te voeren. Deze microkanaaltjes vormen een doorgang voor een koelvloeistof (zoals water), die zorgt voor een effectievere warmte-afvoer dan lucht. Vloeistof zoals water heeft immers een grotere thermische geleidbaarheid en specifieke warmtecapaciteit. Door de vloeistof in kleine, parallelle microkanaalstructuurtjes te pompen, worden het oppervlak voor convectieve warmteoverdracht en de warmteoverdrachtscoëfficiënt nog groter, wat zorgt voor een grote afvoer van warmte.

Sinds de introductie van de eerste microkanalen in de jaren 1980 werden deze structuren al uitvoerig bestudeerd. Ze mogen dan wel een aantrekkelijke manier zijn om elektronica te koelen, hun gebruik en kostenefficiënte implementatie blijft een hele uitdaging.

Om de kost te drukken, kunnen we gebruik maken van Si-gebaseerde fabricageprocessen. Si is een sterk warmtegeleidende vaste stof, en de technologie op basis van Si laat toe om kwaliteitsvolle en goedkope systemen te maken, met een hoge opbrengst en in grote volumes. 

Om de warmteoverdracht te verbeteren, werden al verschillende afmetingen en configuraties voor de kanalen uitgeprobeerd. In veel gevallen moest een afweging gemaakt worden tussen een kleinere thermische weerstand en een toenemend drukverval over de kanalen – wat een negatieve impact heeft op de warmte-overdracht.

Imecs aanpak: een oplossing op maat

Een team van imec-onderzoekers heeft een koeloplossing op basis van Si-microkanaaltjes ontwikkeld. De koeler kan afzonderlijk gemaakt worden en nadien aan de achterzijde van de warmte-genererende chip worden aangebracht. 

Het team streefde ernaar om de totale warmteweerstand van het systeem te minimaliseren. Dat deden ze door de breedte en hoogte van de kanaaltjes te optimaliseren (voor een gegeven stroomsnelheid en drukverval) en door een optimaal ‘bonding’-proces te zoeken om de twee chips te verbinden.

Optimale dimensies voor continue, rechte kanalen konden worden afgeleid uit analytische en numerieke berekeningen. Nadien werden deze resultaten dan experimenteel gevalideerd. Volgens de analytische studie kan de totale thermische weerstand beschreven worden als de som van de geleidingsweerstand, de convectieweerstand, de ‘calorische’ weerstand en de contactweerstand. De convectieweerstand is een maat voor de mogelijkheid om warmte over te brengen van de oppervlakken van de vaste-stofmaterialen van de ‘koeler’ naar de vloeistof. Deze wordt in sterke mate bepaald door de afmetingen van de kanalen. De contactweerstand, die staat voor de thermische weerstand van de interface tussen de twee Si-chips, kan geoptimaliseerd worden door het ‘bonding’-proces aan te passen. 

Eens de optimale geometrie en ‘bonding’-parameters bepaald zijn voor een gegeven stroom en drukverval, kan de fluïdische werking en het thermisch gedrag van de microkoeler voorspeld worden door middel van 3D thermische en fluïdische simulaties. 

Met deze aanpak kunnen het ontwerp en de fabricage van het microfluïdisch koelsysteem eenvoudig aangepast worden aan andere externe systeembeperkingen, zoals de beschikbare ruimte of vloeistoftoevoer.

Sleutelingrediënt: microstructuren met grote hoogte-breedteverhouding

Het team paste de voorgestelde benadering toe om een geoptimaliseerde Si-gebaseerde microfluïdische koeler te ontwikkelen, waarbij een maximale waterstroomsnelheid van 150mL/min en een maximaal drukverval van 2.5bar werden vooropgesteld.

Figure 1: Schematic view of the micro-cooler.

Schematische voorstelling van de micro-koeler.

Uit analytische berekeningen verkregen ze een optimale kanaalbreedte van 20-30µm voor een hoogte tussen 150 en 250µm. Op basis van deze resultaten ontwierpen ze microstructuren met een kanaalbreedte van 30µm en een diepte van 250µm.

Figure 2: Analytical calculation of the total thermal resistance considering different channel dimensions, assuming a flow rate of 150mL/min and a maximal pressure drop of 2.5bar.

Analytische berekening van de totale thermische weerstand, voor verschillende afmetingen van het kanaal, en voor een stroomsnelheid van 150mL/min en een maximaal drukverschil van 2,5bar.

Vervolgens werden microkanaal-koelers met deze afmetingen gemaakt door gebruik te maken van CMOS-compatibele fabricageprocessen. Om de microkanaaltjes met grote hoogte-breedteverhouding (of aspect ratio) te vervaardigen, werd het deep reactive-ion etch (DRIE) proces gebruikt.

Figure 3: Scanning electron micrograph (SEM) of the high-aspect ratio microchannels.

Scanning electron microbeeld (SEM) van de microkanalen met grote hoogte-breedteverhouding (of aspect ratio).

De koeler kan aangebracht worden aan de achterzijde van elke warmte-genererende chip door gebruik te maken van fusie-‘bonding’ en thermocompressie-‘bonding’. In deze studie werd een 5x5mm2 thermische testchip gebruikt die een hoge warmteflux kan genereren en temperatuurvariaties kan meten met resistoren op basis van wolfraam (W). Door een geoptimaliseerde koper/tin-goud (Cu/Sn-Au) interface te gebruiken, werd een erg lage thermische contactweerstand bereikt tussen de microkoeler en testchip.

Figure 4 – Photograph of imec’s Si-based microfluidic heat sink.

Foto van imecs Si-gebaseerde microfluïdische koeler.

Robuuste, volledig afgesloten kanalen werden verkregen in een zogenaamde ‘gesloten-kanaal’-configuratie. Het team bestudeerde ook een andere configuratie, de ‘open-kanaal’-configuratie. Hiervoor wordt een nog lagere thermische weerstand verwacht. Maar het afdichten van de kanalen hangt in dat geval volledig af van het ‘bonding’-proces tussen de twee Si-delen – wat een grotere uitdaging met zich meebrengt. Als alternatief kan de wafer met de kanalen ook direct ge-‘bonden’ worden op wafer-schaal, om een kleinere thermische weerstand te bekomen.

Resultaten van de koeling: een vermogendissipatie van 600W/cm2 (en hoger)

Met imec’s compacte microkoeler aangebracht op de thermische testchip bereikt het team een totale thermische weerstand van slechts 0,34K/W bij een pompvermogen kleiner dan 2W.

Hiermee kan meer warmte worden afgevoerd dan met een conventioneel lucht-gebaseerd koelsysteem. De microkoeler haalt een vermogendissipatie van meer dan 600W/cm2, terwijl de temperatuur van de thermische testchip onder de 100°C blijft.

De koelings-chip is opgebouwd uit typisch 67 parallelle kanalen, geïmplementeerd in een kleine vormfactor van slechts enkele tientallen mm2.

Voor welke toepassingen is deze microkoeler geschikt?

Het koelvermogen van de microkoeler en de ontwerpbenadering ‘op maat’ van de toepassing maakt de voorgestelde oplossing erg aantrekkelijk voor elke toepassing die te maken heeft met thermisch management van optoelektronische materialen (met brede bandgap), en met het koelen van uitlees- en aandrijfcircuits.

Dit brengt ons tot volgende (niet-volledige) lijst van toepassingen:

  • Radio-frequentie/microgolf modules voor de volgende generatie telecomsystemen met hoog-performante ‘directieve’ antennes. In dergelijke modules is typisch een warmte-genererende vermogenversterker geïntegreerd om een sterk signaal aan de antennes te kunnen doorgeven. Huidige oplossingen zijn nog altijd erg groot.
  • Volgende generatie vermogenelektronische modules gebaseerd op GaN of Si. Deze worden typisch gebruikt voor het beheren van de motor, aandrijflijn en elektrische motor in wagens en robots, en in de opkomende generatie elektrische voertuigen. 
  • Nieuwe geïntegreerde sensoren voor LiDAR (light detection and ranging), spectrometrie die gebruik maakt van de III-V-integratie met CMOS en fotonica-technologieën. Huidige systemen die gebaseerd zijn op ‘free space optics’ zijn van nature niet schaalbaar. Een effectieve koeloplossing zal vooral nodig zijn voor de laser-integratie.
  • Het temperatuurbeheer van gespecialiseerde micro-elektromechanische systemen (MEMS) voor lab-op-chip-toepassingen. Deze systemen bevatten typisch een aandrijf- en uitlees-IC verbonden met een MEMS (fluïdische)-component. Deze micro-systemen doen meer en meer hun intrede in het biomedische domein, waar de temperatuur van de chip koud moet blijven om te vermijden dat een grote variëteit aan (bio-)chemische agentia vernietigd wordt.

 

Samengevat...

Imec heeft een geminiaturiseerde Si-gebaseerde microfluïdische koeler voorgesteld die een thermische vermogendissipatie heeft van meer dan 600W/cm2. Het thermische vermogen van deze koelsystemen is beter dan dat van microelektronische koelers die in de literatuur werden teruggevonden. Het hart van deze microkoeler zijn kleine, parallelle micro-kanaalstructuurtjes met grote hoogte-breedteverhouding. Ze werden gemaakt met CMOS-compatibele fabricageprocessen, waardoor een lage kost kan worden gegarandeerd. Een belangrijke troef van de voorgestelde oplossing is de mogelijkheid om nauwkeurig de fluïdische werking en het thermisch gedrag te voorspellen en te optimaliseren, nog voor de chip ontworpen en gefabriceerd wordt. Dit zorgt er voor dat de oplossing gemakkelijk kan aangepast worden aan de vereisten en beperkingen die opgelegd worden door de toepassing. 

Verwacht wordt dat deze nieuwe benadering tegemoet kan komen aan de ‘warmte’-uitdagingen waar de nieuwe generatie vermogenelektronica, sensoren en hoog-performante componenten in een brede waaier aan systemen mee te maken krijgt. De imec-onderzoekers verwachten ook dat de voorgestelde oplossing toepassingen ver buiten de microelektronica-industrie zal mogelijk maken. 

Dit artikel verscheen eerst in Chip Scale Review (Sept. – Okt. 2019).

Meer weten?

  • Meer details van deze studie vind je terug in de paper ‘High performance thermal management using miniature low cost microfluidics heat sink’, door P. Soussan et al., voorgesteld op de 2019 Embedded World Conference. Je kan de paper opvragen via ons contactformulier
  • Imec ontwikkelt ook koeloplossingen voor hoog-performante chips die je bijvoorbeeld terugvindt in datacentra. Lees hierover in imec magazine

Over Philippe Soussan

Philippe Soussan is programmadirecteur binnen imecs sense & actuate unit. Zijn expertisedomein omvat de interactie tussen processen en materiaaleigenschappen, alsook de technologie-integratie op wafer-schaal in het domein van ‘multi-physics devices’ – meer bepaald 3D interconnects, micro-fluïdica en geïntegreerde fotonica. Philippe is auteur en co-auteur van meer dan 130 publicaties en bezit meer dan 15 patenten. 

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