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Der Umgang mit der in Elektronik erzeugten Wärme ist ein grosses Problem, vor allem angesichts des ständigen Bestrebens, die Grösse zu reduzieren und so viele Transistoren wie möglich in einem Chip unterzubringen. Die grosse Herausforderung besteht darin, wie man mit solch hohen Wärmeströmen effizient umgehen kann. Normalerweise werden elektronische Technologien, von Elektroingenieuren entworfen, und Kühlsysteme, von Maschinenbauern entworfen, unabhängig und getrennt voneinander hergestellt. Doch nun haben Forschende der EPFL den Prozess im Stillen revolutioniert, indem sie diese beiden Designschritte in einem einzigen kombinierten: Sie haben eine integrierte mikrofluidische Kühltechnologie zusammen mit der Elektronik entwickelt, die die von den Transistoren erzeugten hohen Wärmeströme effizient bewältigen kann. Ihre Forschung, die in Nature veröffentlicht wurde, wird zu noch kompakteren elektronischen Geräten führen und die Integration von Leistungswandlern mit mehreren Hochspannungsgeräten in einen einzigen Chip ermöglichen.
Das Beste beider Welten
In diesem vom ERC finanzierten Projekt begannen Professor Elison Matioli, sein Doktorand Remco Van Erp und ihr Team vom Power and Wide-band-gap Electronics Research Laboratory (POWERLAB) der School of Engineering damit zu arbeiten, einen echten Mentalitätswandel beim Entwurf elektronischer Geräte herbeizuführen, indem die Elektronik und die Kühlung von Anfang an gemeinsam konzipiert wurden, mit dem Ziel, die Wärme ganz in der Nähe der Regionen abzuleiten, die sich im Gerät am stärksten erwärmen. «Wir wollten Kompetenzen in Elektrotechnik und Maschinenbau kombinieren, um eine neue Art von Gerät zu schaffen», sagt Van Erp.
Das Team suchte nach einer Lösung für die Frage, wie elektronische Geräte, insbesondere Transistoren, gekühlt werden können. «Der Umgang mit der von diesen Geräten erzeugten Wärme ist eine der grössten Herausforderungen an die Elektronik der Zukunft», sagt Elison Matioli. «Es wird immer wichtiger, die Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren, daher brauchen wir innovative Kühltechnologien, die die grossen Mengen an erzeugter Wärme effizient, nachhaltig und kostengünstig verarbeiten können», sagt Elison Matioli.
Mikrofluidische Kanäle und Hot Spots
Ihre Technologie basiert auf der Integration von Mikrofluidikkanälen im Inneren des Halbleiterchips zusammen mit der Elektronik, so dass eine Kühlflüssigkeit im Inneren eines Elektronikchips fliesst. «Wir haben die mikrofluidischen Kanäle sehr nahe an den Hot Spots des Transistors platziert, mit einem einfachen und integrierten Herstellungsprozess, sodass wir die Wärme genau an der richtigen Stelle abziehen und verhindern konnten, dass sie sich im gesamten Gerät ausbreitet», sagt Matioli. Als Kühlflüssigkeit verwendeten sie deionisiertes Wasser, das keinen Strom leitet. «Wir haben diese Flüssigkeit für unsere Experimente gewählt, aber wir testen bereits andere, effektivere Flüssigkeiten, damit wir noch mehr Wärme aus dem Transistor herausholen können», so Van Erp.
Reduzierung des Energieverbrauchs
«Diese Kühltechnologie wird es uns ermöglichen, elektronische Geräte noch kompakter zu bauen und den Energieverbrauch weltweit erheblich zu senken», sagt Matioli. «Wir haben den Bedarf an grossen externen Kühlkörpern eliminiert und gezeigt, dass es möglich ist, ultrakompakte Leistungswandler in einem einzigen Chip herzustellen. Dies wird sich als nützlich erweisen, da die Gesellschaft zunehmend von Elektronik abhängig wird». Die Forschenden beschäftigen sich nun mit der Frage, wie die Wärme in anderen Geräten wie Lasern und Kommunikationssystemen gehandhabt werden kann.