Electronic Environment # 1.2022
VÄRMELAGRING OVANPÅ KOMPONENTER
De tre tydliga trenderna inom elektronik är tydliga; miniatyrisering, högre kapacitet, högre signalhastigheter, se Electronic Environment 1-2020. I dessa trender ingår också övergången mot fler 2.5D och 3D byggsätt. För kylningens del pekar denna utveckling tydligt mot högre effekttäthet värme per yta och volym. De vanligaste verktygen i en kylingenjörs verktygslåda, värmespridning över en stor area och lägre värmeeffekt, är förstås diskvalificerade på förhand vid nykonstruktion. Det finns andra metoder att angripa kylproblemet, men tidigare införande av nya kylteknologier äts efter ett tag upp av mer miniatyrisering och kapacitetsökning. En ytterligare trend är att vissa komponenter behöver drivas extra hårt under en kort tid. Det kan gälla ett förstärkarchip i en radar eller en grafikkomponent i en smartphone som behöver en stunds extra boost när den efterbearbeter några tagna fotografier i kameran. I sådana fall kan det vara lämpligast att lagra den extra värmen ovanpå komponenten för att sedan låta den transporteras bort till det ordinarie kylsystemet, mot skalet i en tablet eller kylvätskeslingan i ett flygplan. Fördelarna med ett kortverkande värmelager är tre: • man kan bibehålla det ordinarie kylsystemet som det är
• den maximala temperaturen på chipet blir be tydligt lägre • differensen mellan den lägsta och högsta temperaturen blir mindre.
22
www.electronic.se – Electronic Environment online
De båda sista aspekter är ofta direkt relaterade till livslängden på en komponent. Saab AB, Smoltek AB och Chalmers Tekniska Högskola har studerat värmelagring ovanpå chip i ett nyss avslutat Vinnova projekt i NFFP7 (Nationella Flygforskningsprogram 7). Målet var att lagra 3 Joule i en sekund lång ”boost” i ett material som var litet nog att kunna läg-
gas ovanpå ett chip, och i en förlängning låta det vara en del av innanmätet i en kapslad komponent. Det försiggår mycket aktivitet i forskarvärlden på detta område. I framtiden kan man tänka sig att en del kapslade komponenter innehåller både värmelagring och aktiv kylning. Vårt NFFP7-projekt innehöll systemstudie, simuleringar och experiment. Syftet var att ta teknologin från en låg mognadsnivå och bedöma om den med tiden kan bli användbar i en radar. Systemstudien visade att värmelagret måste ligga mycket nära effektkällan för att överhuvudtaget reagera på 1 sekund boost av chipets dissiperade effekt. Vi lade materialet direkt ovanpå transistorområdet ovanpå en tänkt HEMT i kisel. Det visade sig vidare att lagret gör mest nytta om det använder sitt latenta värme under boosten, alltså smälter när effekten slås på och stelnar när effekten är avslagen. På marknaden finns några få material som smälter vid lämplig temperatur och har hög värmelagringsförmåga per volymenhet. Gallium är en populär metall som smälter vid 29 °C i kommande kommersiella produkter. Vill man ha en arbetstemperatur runt 100 °C så är blandningar med bismuth, tenn och indium i olika proportioner mer användbara. Vissa salter och vaxer är också lämpliga men de kräver större volym och är för långsamma värmetransportörer. Ett populärt forskningsområde är att använda en ”svamp” av kol eller metall som fungerar som
