Co-Design von Elektronik mit Mikrofluidik für eine nachhaltigere Kühlung

Das Wärmemanagement ist eine der wichtigsten Herausforderungen für die Zukunft der Elektronik. Mit der ständig zunehmenden Datengenerierungs- und Kommunikationsrate sowie dem ständigen Drang, Größe und Kosten industrieller Wandlersysteme zu reduzieren, ist die Leistungsdichte der Elektronik gestiegen. Infolgedessen hat die Kühlung mit ihrem enormen Energie- und Wasserverbrauch immer größere Auswirkungen auf die Umwelt, und es werden neue Technologien benötigt, um die Wärme auf nachhaltigere Weise - d.h. mit weniger Wasser- und Energiebedarf - zu gewinnen. Die Einbettung der Flüssigkeitskühlung direkt in den Chip ist ein vielversprechender Ansatz für ein effizienteres Wärmemanagement. Allerdings werden Elektronik und Kühlung selbst bei modernsten Ansätzen getrennt behandelt, so dass das volle Energiesparpotenzial der eingebetteten Kühlung ungenutzt bleibt.

Mitentworfene mikrofluidisch gekühlte elektrische Vorrichtung

Quelle Bild: Nature 585, 211–216 (2020)

Hier zeigen die Forscher, dass sie durch das Co-Design von Mikrofluidik und Elektronik innerhalb desselben Halbleitersubstrats eine monolithisch integrierte, vielfältige Mikrokanal-Kühlstruktur mit einer Effizienz herstellen können, die über das derzeit verfügbare Maß hinausgeht. Ihre Ergebnisse zeigen, dass Wärmeströme von mehr als 1,7 Kilowatt pro Quadratzentimeter mit einer Pumpleistung von nur 0,57 Watt pro Quadratzentimeter abgeführt werden können. Sie beobachteten eine noch nie dagewesene Leistungszahl (über 10.000) für die einphasige Wasserkühlung von Wärmeströmen von mehr als 1 Kilowatt pro Quadratzentimeter, was einer 50-fachen Steigerung im Vergleich zu geraden Mikrokanälen entspricht, sowie eine sehr hohe durchschnittliche Nusselt-Zahl von 16. Die vorgeschlagene Kühltechnologie sollte eine weitere Miniaturisierung der Elektronik ermöglichen, wodurch das Moore'sche Gesetz erweitert und der Energieverbrauch bei der Kühlung von Elektronik stark reduziert werden könnte. Darüber hinaus sollte dieser Ansatz durch den Wegfall großer externer Kühlkörper die Realisierung von sehr kompakten, auf einem einzigen Chip integrierten Leistungswandlern ermöglichen.