Imec, het bekende Belgische onderzoekscentrum demonstreert een nieuwe, goedkope methode voor het koelen van chips via de behuizing. Deze techniek is heel geschikt om tegemoet te komen aan de steeds toenemende eisen die worden gesteld aan de koeling van power-3D-chips e.d.

Krachtige elektronische systemen stellen hoge eisen aan de koeling van de geïntegreerde halfgeleiderchips. Gewone oplossingen werken met verschillende passieve (of soms ook actieve) koellichamen, die het probleem hebben, dat er zich materialen tussen de chip en de koeler bevinden, die de warmteafvoer belemmeren. Een directe koeling op de achterkant van de chip is efficiënter, maar de huidige oplossingen met directe koeling via microkanalen leiden tot een temperatuurgradiënt op de chip-oppervlakte.

De ideale koeler is daarom een impingement-koeler die werkt met een gelijkmatig verdeelde aanvoer van het koelmiddel. Deze methode brengt de koelvloeistof in rechtstreeks contact met de chip en voert de vloeistof loodrecht aan op de chip-oppervlakte. Dat zorgt ervoor dat de koelvloeistof overal op de chip-oppervlakte dezelfde temperatuur heeft en het contact tussen het koelmiddel en chip korter duurt. De huidige koelsystemen die werken met deze methode hebben het nadeel, dat ze gebaseerd zijn op silicium en daardoor erg kostbaar zijn. Bij andere alternatieven is de doorsnede van de openingen niet compatibel met het maakproces van de behuizing van de chip.

 
Werkingsprincipe van de directe chipkoeling. Afbeelding: Imec.
Imec heeft een nieuwe impingement-chip-koeler ontwikkeld, die in plaats van silicium gemaakt is van kunststoffen om voordelige fabricage mogelijk te maken. Bovendien gebruikt Imec’s oplossing kanaaltjes met een doorsnede van maar 0,3 mm, die gemaakt worden met een stereolithografisch 3D-drukproces met een groot oplossend vermogen. Dankzij het 3D-drukproces is het mogelijk om het ontwerp van de aanvoerkanaaltjes aan te passen aan de vorm van de warmtebron en is de fabricage van complexe inwendige structuren mogelijk. Bovendien maakt dit het mogelijk om op een efficiënte manier de hele structuur in één proces te fabriceren, waardoor bespaard wordt op productiekosten en -tijd.

De nieuwe chipkoeler van Imec lijkt op een 3D-geprinte douchekop, die de koelvloeistof via een groot aantal kleine kanaaltjes rechtstreeks op de kale chip sproeit. Door verbeteringen in het oplossend vermogen is 3D-druk nu ook geschikt voor het realiseren van microfluïdische systemen zoals deze chipkoelers. De Imec-koeler bereikt een groot koelingsrendement met een temperatuurverhoging van minder dan 15 °C bij 100 W/cm² bij een doorstroomsnelheid van het koelmiddel van 1 l/min. Bovendien is de afname van de druk van het koelmiddel met maximaal 0,3 bar erg gering. De prestaties zijn veel beter dan die van gewone koelsystemen, omdat daarbij op het grensvlak tussen de verschillende materialen al een temperatuurtoename van 20 tot 50 °C ontstaat. Naast het hoge rendement en de goedkope fabricage is Imec’s koelsysteem ook nog een stuk kleiner, omdat het binnen de afmetingen van de chip valt.