Blut Und Silizium: Neues Elektronik-Kühlsystem Imitiert Menschliche Kapillaren
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Strategisch in Chips geschnitzte Mikrokanäle könnten dazu beitragen, die Nachfrage nach immer kleineren Geräten zu befriedigen und den Energieverbrauch zu senken.

Blut und Silizium: Neues Elektronik-Kühlsystem imitiert menschliche Kapillaren
Blut und Silizium: Neues Elektronik-Kühlsystem imitiert menschliche Kapillaren

Wenn die Elektronik immer kleiner und dichter wird, wird sie auch heißer. Ihre Komponenten funktionieren bei hohen Temperaturen nicht optimal. Daher ist der Umgang mit der eskalierenden Wärme, die kollidierende Elektronen beim Durchströmen der Halbleiter in diesen schrumpfenden Elementen erzeugen, eine große und zunehmend drängende technologische Herausforderung.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Komponenten zu kühlen, von einfachen lüftergekühlten Wärmetauschern bis hin zu kompakteren und anspruchsvolleren Systemen. Eine der letzteren besteht darin, Halbleiterchips mit einem winzigen Gerät auszustatten, durch das flüssigkeitstragende Mikrokanäle laufen, um Wärme abzuleiten. Diese Kanäle müssen so klein wie möglich sein, damit mehr von ihnen auf einen einzelnen Chip passen. Aber je kleiner die Kanäle sind, desto mehr Druck wird benötigt, damit die Flüssigkeit fließen kann - und dieser Druck kann viel Energie erfordern.

Jetzt sagen Wissenschaftler der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL), sie hätten eine neue Technologie entwickelt, um solche Systeme energieeffizienter zu machen. Bei diesem neuartigen Ansatz wurde das Mikrokanal-Netzwerk, dessen architektonisches Design vom menschlichen Kreislaufsystem inspiriert war, innerhalb des Halbleiters selbst aufgebaut und anschließend nicht mehr daran angeschlossen. Die Ergebnisse wurden am Mittwoch in Nature veröffentlicht.

Elison Matioli, Professor am Institut für Elektrotechnik der EPFL, und seine Kollegen verwendeten einen Chip, der eine dünne Schicht eines halbleitenden Materials namens Galliumnitrid oder GaN auf einem dickeren Siliziumsubstrat umfasste. In einem gewöhnlichen Chip trägt dieses Substrat nur die GaN-Schicht. Bei dem neuen System sind die Mikrokanäle jedoch in das Substrat eingraviert und so positioniert, dass sie genau mit den Teilen des Chips übereinstimmen, die sich am stärksten erwärmen.

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Um das Problem der hohen Energie anzugehen, die benötigt wird, um Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit durch die winzigen Kanäle zu pumpen, entwickelten die Forscher ein Verteilungsnetz aus breiteren Kanälen, die sich nur an den Stellen verengen, an denen die Wärme konzentriert ist. Diese Anordnung verringert den Gesamtbedarf an Energie drastisch.

"Es ist wie das menschliche Kreislaufsystem, das aus größeren Blutgefäßen besteht, die nur dünner werden und sich in bestimmten Bereichen des Körpers in Kapillaren verwandeln", sagt Matioli. Die Experimente, von denen einige in einem Labor durchgeführt werden mussten, das in der Wohnung eines Forschers gebaut wurde, nachdem die COVID-19-Pandemie die Einrichtungen des Instituts für Elektrotechnik geschlossen hatte, zeigten, dass der Leistungskoeffizient des Systems (der seine Effizienz misst) 50-mal höher ist als Dies wird durch eine andere Kühltechnologie erreicht, die Mikrokanäle mit gleichmäßiger Breite verwendet und nicht in den Halbleiter integriert ist.

Der Hauptdurchbruch dieses Ansatzes ist eine innovative Herstellungsmethode, die die elektronischen und Kühlstrukturen in einem einzigen Herstellungsprozess integriert, sagt Tiwei Wei, einer der Peer Reviewer des Papiers und Forscher am Interuniversity Microelectronics Center und an der KU Leuven in Belgien. Er fügt hinzu, dass diese Integration dazu beiträgt, die Mikrokanäle den spezifischen überhitzten Bereichen näher zu bringen und die Dinge effizienter abzukühlen.

„Es ist ein wichtiges Papier, weil es die Lücke zwischen zwei Gemeinden schließt: der Leistungselektronik- und der Elektronikkühlungs-Gemeinde. Derzeit werden sie in den meisten Forschungsarbeiten separat behandelt “, sagt Xianming (Simon) Dai, Assistenzprofessor am Institut für Maschinenbau der University of Texas in Dallas und nicht an der Studie beteiligt.

Die Wärmetechnik ist normalerweise ein nachträglicher Gedanke, der erst nach dem Entwurf eines elektrischen Systems berücksichtigt wird. William King, Professor und Ralph A. Andersen-Stiftungslehrstuhl für Maschinenbau und Maschinenbau an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign, stellt jedoch fest, dass einige Forschungsgruppen begonnen haben, sich mit dem Konzept der Codesignatur von Elektronik und Kühllösungen zu befassen. "Dieses Papier zeigt einen wichtigen Beitrag, der wirklich zeigt, was möglich ist", sagt King, der auch nicht an dem neuen Papier beteiligt war.

Eine der Einschränkungen der Studie besteht laut Wei darin, dass die innovative Kühllösung auf einen relativ einfachen Testfall angewendet wurde. „Eine zukünftige Richtung wäre die Anwendung des Konzepts auf ein hochmodernes Konverterdesign“, sagt er und fügt hinzu, dass er auch Fragen zur strukturellen Integrität der dünnen GaN-Schicht auf den Mikrokanälen hat. "Ich befürchte, dass die Flüssigkeit, die durch die Kanäle unter dem Gerät fließt, langfristig zu Stress führen kann, der sich auf das Gerät auswirken kann."

King sagt, die nächsten Schritte in dieser Forschung sollten darin bestehen, zu zeigen, dass es möglich ist, mikrofluidische Kühlkanäle in anderen Materialien zu verwenden und die Möglichkeiten fortgeschrittener dreidimensionaler Geometrien zu erkunden. "Mit zunehmender Reife dieses Konzepts", sagt er, "werden die Entwürfe immer mehr wie ein Kapillarnetzwerk aus dem menschlichen Kreislaufsystem aussehen, in dem große Kanäle mit kleinen Kanälen in einer Verzweigungsarchitektur verbunden sind."

King merkt an, dass das Wärmemanagement eine wesentliche Einschränkung für alle Arten von Elektronik darstellt, insbesondere für leistungselektronische Geräte, wie sie beispielsweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, im Stromnetz und in der Kommunikation verwendet werden.

„Im Prinzip kann diese Technologie in allen Arten von Elektronik eingesetzt werden: zum Beispiel zum Kühlen von Computerchips oder in Anwendungen wie Sonnenkollektoren oder Elektroautos, die möglicherweise eine hohe Leistungsdichte aufweisen“, sagt Matioli. Er fügt hinzu, dass dies wahrscheinlich keine praktische Lösung für die gesamte Elektronik bietet, da es in bestimmten Anwendungen nicht wünschenswert wäre, dass Flüssigkeit in den elektronischen Teilen zirkuliert.

Matioli sieht großes Potenzial für diese Technologie in Rechenzentren, die enorme Mengen an Energie verbrauchen, von denen ein Großteil in Kühlsysteme fließt. Alle Rechenzentren in den USA verbrauchen zusammen eine Menge Strom und Wasser, die mit den Wohnbedürfnissen einer Stadt wie Philadelphia vergleichbar ist, sagt er. Durchschnittlich 30 Prozent der von Rechenzentren verbrauchten Energie fließen in die Kühlung. Das Papier seines Teams behauptet, dass diese Ausgaben durch die Übernahme des neuen Ansatzes möglicherweise erheblich sinken könnten.

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