Transistor-integrierte Kühlung für einen leistungsfähigeren Chip

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© 2020 EPFL

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Wissenschaftler der EPFL haben einen Transistor mit einem elektronischen Kühlsystem entwickelt, das in denselben Chip eingebettet ist. Diese in Nature veröffentlichte Forschung soll es ermöglichen, Energie zu sparen und immer mehr miniaturisierte Komponenten herzustellen.

Das Wärmemanagement in der Elektronik ist ein großes Problem. Vor allem wegen der ständigen Forschung, die Größe zu reduzieren und ein Maximum an Transistoren im selben Chip zu montieren. Die Herausforderung besteht darin, wie man mit solch hohen Wärmeströmen effektiv umgehen kann.

Normalerweise werden elektronische Technologien, die von Elektroingenieuren entworfen werden, und Kühlsysteme, die von Maschinenbauingenieuren erstellt werden, unabhängig und getrennt voneinander hergestellt. Heute bringen die Wissenschaftler der EPFL eine kleine Revolution auf diesem Gebiet, indem sie die beiden Ansätze kombinieren. Sie entwickeln eine mikrofluidische Kühltechnologie, die in die Elektronik integriert ist und die großen Wärmeströme, die von Transistoren erzeugt werden, effizient verwalten kann, was eine noch stärkere Miniaturisierung und die Integration von Leistungswandlern mit mehreren Hochspannungsgeräten in einem einzigen Chip ermöglicht. Ihre Forschung wird in Nature veröffentlicht.

Das Beste aus beiden Disziplinen

In diesem vom Europäischen Forschungsrat (ERC) finanzierten Projekt wollten Professor Elison Matioli, sein Assistenz-Doktorand Remco Van Erp und ihr Team vom Power Semiconductor Devices Laboratory (POWERLAB) an der EPFL eine echte Veränderung in der Art und Weise herbeiführen, wie wir uns unsere elektronischen Geräte vorstellen. Sie entwarfen Elektronik und Kühlung von Anfang an gemeinsam und zielten darauf ab, die Wärme sehr nahe an den Regionen abzuleiten, die sich im Gerät am stärksten erwärmen. "Wir wollten unsere Kompetenzen in Elektrotechnik und Maschinenbau kombinieren, um ein neues Gerät zu schaffen", verrät Remco Van Erp.

Die Wissenschaftler wollten das Problem der Kühlung elektronischer Geräte, insbesondere von Transistoren, lösen. "-Thermomanagement ist eine der wichtigsten Herausforderungen für die Zukunft der Elektronik", sagt Elison Matioli. Da die Auswirkungen auf die Umwelt immer wichtiger werden, sind innovative Kühltechnologien erforderlich, um diese hohen Wärmeströme auf nachhaltige und kostengünstige Weise effizient zu bewältigen".

Mikrofluidische Kanäle und Hot Spots

Ihre Technologie basiert auf der Integration von mikrofluidischen Kanälen im Inneren des Halbleiterchips, zusammen mit der Elektronik, so dass ein Kühlmittel im Inneren des Chips zirkuliert. "-Wir haben mikrofluidische Kanäle sehr nahe an den Hot Spots des Transistors platziert, mit einem einfachen und integrierten Herstellungsprozess. Dadurch kann die Wärme sehr präzise entzogen werden. Wir lassen nicht zu, dass es sich im Gerät ausbreitet", erklärt Elison Matioli. Das Kühlmittel ist deionisiertes Wasser, das elektrisch nicht leitfähig ist. "Wir haben diese Flüssigkeit für unsere Experimente gewählt, aber wir testen bereits andere, effizientere Flüssigkeiten, um die Wärmeabfuhr aus dem Transistor zu erhöhen", verrät die Doktorandin.

Reduzierung des Energieverbrauchs

"Die vorgeschlagene Kühltechnologie ermöglicht die weitere Miniaturisierung der Elektronik und könnte den Energieverbrauch weltweit erheblich senken. Durch den Verzicht auf große externe Kühlkörper demonstrieren wir zudem, wie dieser Ansatz die Möglichkeit bietet, ultrakompakte, auf einem einzigen Chip integrierte Leistungswandler zu realisieren und damit den Trend zur Elektrifizierung unserer Gesellschaft zu unterstützen", sagt Elison Matioli. Wissenschaftler erforschen jetzt andere Bereiche, in denen Hitze unterschiedliche Herausforderungen stellt, darunter Laser und Kommunikationsgeräte.