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Die jüngsten Innovationen beim vertikalen Stapeln von 3D-Integrierten Schaltungen haben zu erheblichen Wärmeproblemen in 3D-integrierten Schaltungen geführt. Herkömmliche Methoden der Luftkühlung oder Flüssigkeitskühlung reichen hierfür nicht aus. Die mikrofluidische Kühlung integriert miniaturisierte Kühlkanäle in die Silizium-Interposer oder Gehäusesubstrate, wodurch die Kühlwirkung unmittelbar in der Nähe der aktiven Transistoren erfolgen kann. Dadurch wird der thermische Widerstand im Vergleich zu herkömmlichen Kühlkörpern um rund 40 % gesenkt. Die Strahlkühlung (Jet Impingement) stellt eine noch extremere Methode dar. Dieses Verfahren beruht auf dem Prinzip, Wärme mittels schnell bewegter Fluidströme gezielt auf einzelne Hotspots im Chip – insbesondere in dicht gepackten Logik- oder Eingabe-/Ausgabe-Dies – zu übertragen. Mit dieser Technik lässt sich Wärme mit einer Rate von über 300 Watt pro Quadratzentimeter ableiten. Bei Anwendung auf die komplexesten 2,5D- und 3D-Chip-Gehäuse mindern die oben genannten Kühlmethoden die Auswirkungen temperaturbedingter mechanischer Lasten und verhindern die Delamination der Schichten bei modernsten Verpackungstechnologien wie Fan-out und Hybridbonding.
Die zweiphasige Flüssigkeitskühlung ermöglicht die Ableitung von Wärmestromdichten über 500 W/cm².
Die Kühlfüssigkeit Novec 649 oder FC-72 verdampft bei Kontakt mit heißen Oberflächen. Diese hohe Wärmeaufnahmekapazität des Kühlmittels übertrifft die Aufnahmekapazität einphasiger Kühlverfahren. Dieses Kühlverfahren erweist sich als das beste für Wärmestromdichten über 500 W/cm², die mit herkömmlicher Leitungs- oder Konvektionskühlung nicht erreicht werden können. In der Praxis halten Verdampfungskühlsysteme bei leistungsstarken Chips mit einer Leistung von bis zu 2 kW die Temperatur der gekühlten Oberflächen – einschließlich der AI-Prozessoren in Supercomputern mit Exascale-Leistung – auf 85 °C. Nachdem die Kühlfüssigkeiten die Wärme aufgenommen haben, strömt die Dampfphase zu einer extern angeordneten Kühlplatte oder zu kleinen Kanälen eines Kondensators. Damit schließt sich der thermische Kreislauf (Loop). Dadurch ergeben sich insbesondere bei der Kühlung von Chips an der Rückseite sowie bei großformatigen Server-Racks deutliche Vorteile, da kein Nachfüllen des Kühlmittels erforderlich ist.
FAQ
Was sind mikrofluidische Kühlung und Strahlauftreffkühlung?
Während die mikrofluidische Kühlung kleine Kanäle innerhalb der Siliziumsubstrate nutzt, um eine effizientere Kühlung zu ermöglichen, verwendet die Strahlauftreffkühlung schnell bewegte Flüssigkeitsströme, die gezielt auf bestimmte heiße Stellen der Chips treffen.
Was macht die Zweiphasen-Flüssigkeitskühlung so effektiv?
Die Zweiphasen-Kühlung kann mehr als 500 Watt pro Quadratzentimeter erreichen – ein Wert, der deutlich über allen herkömmlichen Methoden liegt – einfach deshalb, weil sie das Kühlmittel direkt an den heißen Komponenten verdampft.
Können diese Kühlverfahren in großtechnischen Anwendungen eingesetzt werden?
Ja, sowohl die mikrofluidische Kühlung als auch die Zweiphasen-Kühlung eignen sich sehr gut für große Server-Racks und die direkte Chipkühlung, insbesondere bei KI-Prozessoren und Supercomputern.