imec, het toonaangevende onderzoeks- en innovatiecentrum op het gebied van nano-elektronica en digitale technologie, heeft vandaag aangekondigd dat het voor het eerst een goedkope, op impingement gebaseerde oplossing heeft gedemonstreerd voor het koelen van chips op pakketniveau. Deze prestatie is een belangrijke innovatie om tegemoet te komen aan de steeds toenemende koelingseisen van hoogwaardige 3D-chips en -systemen.

Hoogwaardige elektronische systemen voldoen aan de toenemende vraag naar koeling. Conventionele oplossingen realiseren koeling door warmtewisselaars te combineren die zijn verbonden met warmteverspreiders die vervolgens aan de achterkant van de chip worden bevestigd. Deze zijn allemaal onderling verbonden met thermische interfacematerialen (TIM) die een vaste thermische weerstand creëren die niet kan worden overwonnen door efficiëntere koeloplossingen te introduceren. Directe koeling op de achterkant van de chip zou efficiënter zijn, maar de huidige directe koeling microkanaaloplossingen creëren een temperatuurgradiënt over het chipoppervlak.

De ideale spaankoeler is een op impingement gebaseerde koeler met verdeelde koelmiddeluitlaten. Het brengt de koelvloeistof in direct contact met de chip en spuit de vloeistof loodrecht op het chipoppervlak. Dit zorgt ervoor dat alle vloeistof op het chipoppervlak dezelfde temperatuur heeft en vermindert de contacttijd tussen koelmiddel en chip. Echter, huidige impingement-koelers hebben het nadeel dat ze op silicium zijn gebaseerd en dus duur zijn, of dat hun spuitmonddiameters en gebruiksprocessen niet compatibel zijn met de stroom van het chipverpakkingsproces.

Imec heeft een nieuwe impingement-chipkoeler ontwikkeld die gebruikmaakt van polymeren in plaats van silicium. om tot een kosteneffectieve fabricage te komen. Bovendien, imec's oplossing heeft nozzles van slechts 300 µm, gemaakt door stereolithografie 3D-printen met hoge resolutie. Het gebruik van 3D-printen maakt het mogelijk om het ontwerp van het spuitmondpatroon aan te passen aan de warmtekaart en de fabricage van complexe interne structuren. Bovendien, 3D-printen maakt het mogelijk om de hele structuur efficiënt in één deel te printen, het verminderen van productiekosten en tijd.

"Onze nieuwe impingement-chipkoeler is eigenlijk een 3D-geprinte 'douchekop' die de koelvloeistof rechtstreeks op de kale chip spuit, " verduidelijkt Herman Oprins, senior engineer bij imec. "3D-prototyping is verbeterd in resolutie, beschikbaar stellen voor het realiseren van microfluïdische systemen zoals onze chipkoeler. 3D-printen maakt een toepassingsspecifiek ontwerp mogelijk, in plaats van een standaardontwerp te gebruiken."

Imec's impingement-koeler bereikt een hoog koelrendement, met een spaantemperatuurstijging van minder dan 15°C per 100W/cm2 voor een koelmiddeldebiet van 1 l/min. Bovendien, het heeft een drukverlies van slechts 0,3 bar, dankzij het slimme interne koelerontwerp. Het presteert beter dan conventionele koeloplossingen waarbij de thermische interfacematerialen alleen al een temperatuurstijging van 20-50 ° C veroorzaken. Naast het hoge rendement en de kosteneffectieve fabricage, imec's koeloplossing is veel kleiner in vergelijking met bestaande oplossingen, passend bij de voetafdruk van het chippakket, waardoor het chippakket wordt verminderd en efficiënter wordt gekoeld.