Integrált Termikus Megoldások

Az elektronikus eszközök további integrációjának legfőbb akadályozó tényezője a félvezető eszközök túlmelegedése, amelyet az egyre növekvő disszipációsűrűség okoz. A teljesítményfelvétel csökkentése érdekében történt CMOS technológiai fejlesztéseknek (FinFET, Tri-Gate, SOI, low-K, stb.) köszönhetően a modern integrált áramkörökben évről évre sikerül a Moore-jóslatnak megfelelően az egységnyi felületre integrált alkatrészek (kapuk, tranzisztorok) számát folyamatosan növelni a disszipáció jelentős növekedése nélkül. Azonban a More-than-Moore (Moore jóslaton túlmutató) integráció (3D tokozás, System-in-Package, System-on-Package rendszerek, stb.) esetén az egységnyi felületre vett disszipáció akár többszöröse is lehet az egyetlen chipen lévő hőtermelésnek. 

A 3D integráció következtében az egyes chipek és a környezet közötti hővezetési utak jelentősen hosszabbak lehetnek, így az integrált áramkörök hőmérséklete jelentősen megnövekedhet. Ennek magyarázata az, hogy a megnövekedett félvezető-tok, valamint félvezető-környezet között lévő hőellenállások miatt a chipek felületén kialakuló hőmérsékletértékek még ugyanakkora felületi disszipáció esetén is jelentősen emelkedhetnek. A megemelkedett működési hőmérséklettel járó hatások figyelembevétele rendkívül fontos már a tervezés korai szakaszában, ezért kiemelkedően sürgetővé vált a System-on-Package konstrukciók felépítését és az integrált hűtőeszközök hatását is figyelembe vevő kompakt modell kidolgozása. 

Az előzőekben bemutatott okok is jelzik, hogy 3D integráció esetén különös figyelmet kell fordítani a termikus-menedzsment kérdésekre, így növelve tovább a modern eszközök teljesítményét, megbízhatóságát és robusztusságát. 

System-on-Package eszközök esetén a köztes hordozónak (interposer) már nem csak az integrált áramkör és a nyomtatott huzalozású hordozó közötti elektromos összeköttetés megteremtése a feladata, hanem egyéb diszkrét eszközök (nagy értékű ellenállások és kapacitások, valamint eltemetett induktivitások) is kialakíthatók a belsejében. Folyamatos kutatások zajlanak további funkciót megvalósító eszközök köztes hordozóban történő integrációjára: akkumulátor, érzékelő és beavatkozó eszközök, hűtőrendszerek, stb. Egyes kutatások mikroméretű csatornákat tartalmazó hűtőeszközök integrációját vizsgálják. 

Elsőgenerációs integrált mikrocsatornás hűtőeszköz

Ezekben a mikroméretű csatornákban hűtőközeget keringtetve a félvezető-átmenet és a tok közötti hőellenállást (az áramoltatott közegtől és az áramlás jellegétől függően) jelentősen lecsökkenthetjük. 

A hőút hosszának, és így a hőellenállás csökkentésének a legjobb módja az, ha mikroméretű csatornákat közvetlenül a chipek hátoldalának teljes felületén alakítunk ki [2]. A csatornákat különböző rajzolattal, geometriával és különböző technológiával (pl.: reaktív ion marással, nedves-kémiai marással, stb.) lehet készíteni. Ahhoz, hogy adott mérethatárokon belül a lehető legtöbb hő elszállítására képes eszközt tudjunk tervezni – azaz a hűtési hatékonyságot maximalizálni tudjuk – a hőátadási jelenségek alapos megismerésére van szükség. 

Publikációk

Gy. Bognár, G. Takács, L. Pohl, P. G. Szabó, “Thermal modelling of integrated microscale heatsink structures”, MICROSYSTEM TECHNOLOGIES 24:(1) pp. 433-444. (2018)

Gábor Takács, György Bognár, Enikő Bándy, Gábor Rózsás, Péter G. Szabó, “Fabrication and Characterization of Microscale Heat Sinks”, MICROELECTRONICS RELIABILITY 79:(-) pp. 480-487. (2017)

Csapatunk