További fejlesztések a túlmelegedő áramkörök ellenKorszerű mobilkommunikációs eszközökben, számítógépes hálózatra kapcsolódó vezeték nélküli szenzorokban, hordozható és asztali számítógépekben több integrált áramkört is találunk, amiknek a hűtése egyre inkább égető kérdéssé vált az elmúlt évtizedekben. Ráadásul az optimális működési hőmérséklet-tartomány biztosítása a korszerű, 3D-integrációt is lehetővé tévő áramköri tokozások esetén különösen nagy technológiai kihívásnak bizonyul. Ennek megoldására egyre újabb, jobb hatásfokú, kompaktabb, a hagyományos léghűtéstechnikán túllépő hűtéstechnológiai módszertanok kutatása zajlik a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszékén.
A szerző 2019-ben a BME, a Pro Progressio Alapítvány és az Élet és Tudomány közös ismeretterjesztő cikkpályázatán Oktatói-kutatói kategóriában különdíjat nyert. Pályamunkája az Élet és Tudomány 2019/32 számában jelent meg Túlmelegedő áramkörök címmel.
Komplett rendszer a chipen
Az integrált áramkörök (Integrated Circuit, IC) egyik típusa a rendszerchip eszköz (System-on-Chip, SoC). Ezek olyan, nagy mértékben integrált áramkörök, amelyekben egy komplett működő rendszert valósítanak meg egyetlen félvezető lapkán. Ilyen rendszerchip eszközök például a mai modern processzorok is, ahol akár több milliárd tranzisztort ,,zsúfolnak" a szilícium chip egységnyi felületére. A legkorszerűbb processzorokban már nemcsak a hagyományos számítási műveleteket végző egységeket, hanem például a gépi tanulást támogató neurális áramköröket is egyetlen chipbe integrálják, így alkotva egy komplett rendszert. Ezek mel lett további fontos rendszerchip eszközök a kis méretű, alacsony fogyasztású, vezeték nélküli adó-vevő áramkörök is, amelyekre például a modern okosotthonokban vagy az Ipar 4.0 területén alkalmazott IoT (Internet of Things, dolgok internete) eszközökben van nagy szükség. A rendszerchip eszközök kialakításánál a fő cél több, különböző funkciót megvalósító áramkör integrálása egyetlen félvezető lapkára a megbízhatóság, a jel-zaj viszony és a számítási teljesítmény növelése érdekében. Ám növekvő funkcionalitáshoz egyre növekvő lapkaméret is tartozik, ami viszont a kihozatalt jelentősen rontja; azaz a valóban működő chipek aránya a legyártott chipek összmennyiségéhez képest jelentősen csökken. Jelenleg néhány cm² felületű rendszerchipek kihozatala akár 40 százalék alatt is lehet a legkorszerűbb technológiákkal. Ezáltal belátható, hogy sokszor gazdasági szempontok miatt sem előnyös és sokszor technológiailag sem megoldható minden funkció egyetlen félvezető lapkára integrálása, azaz a teljes rendszerünk SoC-integrációja.
Kapcsolat a külvilággal...
Az integrált áramkörök gyártásának utolsó állomása az áramköri tokozás művelete. Az áramköri tokok általános feladata a tokozandó chip mechanikai tartása, rögzítése, külső hatásokkal szembeni védelme, a külvilággal történő elektromos összeköttetések megvalósítása, táp- és órajelellátás biztosítása, valamint geometriai értelemben vett átmenet biztosítása az alaplap és a chip között. Továbbá a rendszerchip eszközök tokozásának kialakítása rendkívül kritikus a termikus működési határfeltételek biztosítása szempontjából is. Egy korszerű rendszerchip eszköz FCLGA (Flip Chip Land Grid Array) tokozásának kialakítása az 1. ábrán látható.
Jellemzően ilyen tokozásba kerülnek a processzorok (CPU-k) és a grafikus videóvezérlő integrált áramkörök (GPU-k). Rendszerchip eszközök tokozásában látható, hogy egy köztes hordozóra (interposer) csupán egyetlen chip kerül elhelyezésre. Ennek a köztes hordozónak a feladata a chip és a tok kivezetései közötti kapcsolat megvaló sítása. A köztes hordozón egy osztásköz (pitch size, két szomszédos kivezetés középpontjainak a távolsága) váltás is megvalósul: a chipen kialakított kivezetések osztásköze jellemzően 50100 μm, míg az alaplapon/foglalatban lévő osztásköz 200-1000 um (10-40 mil) között lehet.
Rendszerchipek hűtéstechnikája
Tapasztalhatjuk, hogy nagy számítási igényű alkalmazások (például 3D-grafika, videókódolás) használata során okoseszközeink akár olyan meleggé is válthatnak, hogy nem tudjuk megtartani a kezünkben. Fontos hangsúlyozni, hogy ilyenkor a készülék házának a hőmérséklete körülbelül 40-45°C, magának a számítást végző integrált áramköröké viszont elérheti akár a 90°C-ot is. Az áramköreink túlmelegedését és tönkremenetelét mindenképp el kell kerülni. Ezért az áramkör teljesítményfelvételét és a hőellenállást a környezet felé egyaránt minimalizálnunk kell. Elektronikai eszközeink pillanatnyi fogyasztása az éppen átfolyó áramerősség és a rajta eső feszültség szorzatával számolható ki: P=U·I, és a mértékegysége Watt [W]. Modern digitális áramkörök működésének „,sebességét” az órajel határozza meg. Átrendezést követően meghatározható a digitális integrált áramkörök fogyasztása: P = C₁ f U² · Látható hogy minél magasabb az órajel frekvenciája (f) és az áramkör tápfeszültsége, annál nagyobb lesz eszközeink fogyasztása (C, az adott félvezető gyártástechnológiára jellemző állandó). Korszerű rendszerchip eszközökben a működés közbeni tápfeszültség körülbelül 1 V, így fogyasztásuk bizonyos esetekben eléri, sőt meg is haladhatja a 100 W értéket. Egy mai korszerű rendszerchip felülete körülbelül 1 cm². Ebből kifolyólag a disszipációsűrűség, azaz az egységnyi felületre eső teljesítmény nagyjából 100 W/cm². Hasonlítsuk össze ezt az értéket egy modern indukciós főzőlap egyik főzőzónájával, ami 18 cm átmérőjű és 2 kW teljesítményű. Az 1 cm² felületre eső teljesítmény nagyjából 8 W-ra adódik. Az egységnyi felületen átáramló hőmennyiség alapján megállapítható, hogy az integrált áramkörök felületén körülbelül annyi hő áramlik át, mint a rakéta egységnyi felületén átáramló hő mennyisége. A fő cél, hogy az integrált áramkörben keletkező hőt minél könnyebben át tudjuk adni a környezetnek, azaz minél kevésbé melegedjenek fel működés közben a chipek. Gondoljunk bele! Egy csésze forró tea hűlési folyamatának gyorsítása tea hűlési folyamatának gyorsítása érdekében elkezdjük kevergetni és fújni. Végeredményben ugyanezt csináljuk a processzorokkal is. Nagy teljesítményű ventilátorokkal fújjuk a tok felületét. Hogyan tudnánk még könnyebben átadni a hőt a környezetnek? Ha a teás példánál maradunk, akkor képzeljük el, hogy a teát, mielőtt elkezdjük fújni, kiöntenénk egy nagy tálba és csak utána kezdjük el hűteni. Ezt a rendszerchipeknél úgy kell elképzelni, hogy a tok tetejére egy hűtőbordát helyezünk. Ezzel azt érjük el, hogy működés alatt a chip felmelegíti az általában rézből készült hűtőbordát, és így jelentősen megnövekszik a hőátadás felülete. Utána már ezt a megnövekedett felületet fújjuk. Ezeknek a hűtőbordáknak a felülete akár több m² is lehet! A ventilátorok pedig akár percenként háromezerszer is körbe fordulhatnak, akár másodpercenként több liter levegőt is átfújva a bordák között. Az 1. ábrán látható tokozás tetejére is ilyen hűtőbordát és ventilátort helyezünk el és törekszünk minimalizálni a hőellenállást ebbe az irányba: azaz minél nagyobb keresztmetszeten és minél rövidebb úton, minél jobb hővezető anyagok használatára törekszünk. Ennek érdekében az áramköri tok tetejére termikus pasztát helyezünk, ezzel is növelve a hővezető képességet a két felület között. Számos esetben előfordul azonban, főleg adatközpontokban található chipeknél (rendszerchipek, hálózati processzorok), hogy a levegővel való hűtés már nem elegendő. Ebben az esetben - újból a teás hasonlattal élve - úgyis lehűthetjük a teánkat, ha hideg vízbe merítjük a csészénket és a vizet kevergetjük (a teát a továbbiakban már nem fújjuk). Tehát ha a ,,hűtőbordák között” nem levegőt, hanem vizet keringetünk, jobb hatásfokú hűtést, alacsonyabb üzemi hőmérsékletet érhetünk el.
A jövő processzorainak építőkövei
Ha akár gazdasági, akár technológiai szempontból nem lehetséges egyetlen félvezető lapkán megvalósítani a teljes rendszert minden funkciójával együtt, akkor készítsük el az egyes funkciókat megvalósító integrált áramköröket külön-külön egy-egy önálló chipen! Ezután ezeket a chipeket helyezzük be egyetlen áramköri tokba, de olyan közelségben, hogy mind a jel-zaj viszony, mind a késleltetések szempontjából is úgy viselkedjen a teljes rendszer, mintha látszólag egyetlen rendszerchipen valósítottuk volna meg. Mivel ezek a chipek kisebbek, mint azok a félvezető lapkák, amin a teljes rendszert valósítottuk (volna) meg, ezért a szakirodalom ezeket a chipeket chipleteknek (,,kis chipek") nevezi. Ezek a chipletek származhatnak akár más gyártó(k)tól is, készülhetnek más-más félvezető alapanyagból, lehet más a vastagságuk, a tápfeszültségigényük és készülhetnek többféle félvezető gyártástechnológiával is. Ezekből a chipetekből felépülő áramköröket nevezzük heterogén rendszerintegrációnak.
Mikroelektronikai heterogén rendszerintegráció esetén a teljes rendszert, annak minden funkcióját tehát egyetlen korszerű elektronikai tokozásba in tegráljuk (advanced packaging), ezért ezt az integrációt SiP (System-in-Package, rendszer a tokban) rendszerintegrációnak is nevezik. SiP-integráció esetén egyetlen tokozásba több chip is kerül, ahogy az a 2. ábrán is látható. Ráadásul nemcsak a köztes hordozón kerülhetnek elhelyezésre egymás mellé szoros közelségben, hanem akár egymáson elhelyezve igazi 3D-struktúrát is alkothatnak (stacked-die).
A tokon belül elhelyezett chipletek összeköttetéseit egy különleges szilícium anyagú vagy organikus köztes hordozón valósítják meg. Ez a köztes hordozó már nemcsak a chipletek és a tokkivezetések közötti kapcsolat megvalósításáért felelős, hanem az egyes chipek közötti összeköttetések kialakításáért is. Mivel a chipletek ebben a rendszerben legtöbbször fejjel lefelé vannak elhelyezve, ezért egymásra helyezett chipletek esetén csak a legfelső félvezető lapka hűtése oldható meg hagyományos módon. A belső és az alsó rétegekből csak meglehetősen hosszú hővezetési úton (tehát nagy hőellenálláson keresztül lehet hőt elszállítani, ezért a teljesítményüket korlátozni kell a megengedhető legmagasabb működési hőmérséklet figyelembevételével. Gyakran előfordul, hogy a számítási műveleteket végző CPU-egységet tartalmazó chipletre gyorsítótár (CACHE) vagy akár RAMmemória lapkákat helyeztek el, ezzel is csökkentve a memóriába olvasás/ írás késleltetési idejét (3. ábra). Ebben az esetben gyakorlatilag a két fő fogyasztót, azaz a legnagyobb disszi pációjú chipeket helyezték egymásra. E félvezető lapkák optimális hőmérsékleten való tartása újszerű termikus menedzsment módszereket és technológiai kialakítást igényelnek.
Csatornák a szilíciumban
A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszékén zajló kutatásaink keretében azt a lehetőséget vizsgáljuk, hogy magában az áramköri tokozás köztes hordozójában kialakított mikroméretű csatornákban keringtetett hűtőközeggel hogyan segíthetjük lehűteni a rendszerchip eszközöket vagy akár az egymásra halmozott chipleteket. Bebizonyítottuk, hogy egyes struktúrák esetén a hagyományos léghűtőrendszert megtartva, azt kiegészítve integrált mikrocsatornás hűtőrendszerrel a CPU működés közbeni hőmérséklete a legnagyobb folyadékáramlási ráta mellett akár a felére is csökkenhet (109°C-ról 44°C-ra esett a vizsgálataink során). A 4. ábrán látható módon tehát - a teás hasonlattal tovább élve - nemcsak a teát fújjuk, hanem a csésze alját is vízbe merítjük egyidejűleg. Továbbá igazoltuk, hogy a köztes hordozón kialakított csatornákon keresztül egyes esetekben közel annyi hőt lehet elszállítani, hogy a hagyományos léghűtőrendszer akár el is hagyható. Több különböző hűtőközeggel is zajlanak kísérletek: leggyakrabban folyadék halmazállapotú hűtőközegek közül desztillált vizet alkalmazunk, de olajjal, sőt folyékony fém közeggel működő hűtőrendszer fejlesztésével is foglalkozunk. A mikroméretű csatornákon alapuló folyékony fémes hűtési módszer hatékonysága akár több nagyságrenddel is felülmúlhatja a víz alapú hűtőrendszerek hatékonyságát. Kutatásaink során szobahőmérsékleten folyékony halmazállapotú galliumötvözeteket alkalmazunk. Ilyen például a galinstan, ami 68,5% galliumból, 21,5% indiumból és 10% ónból áll.
A legutóbbi kutatásismertető cikkünk (Bognár György: Túlmelegedő áramkörök, Élet és Tudomány 0013-6077 LXXIV. (32) pp. 1002-1004, 2019) óta eltelt időszakban a mikroméretű csatornák különböző anyagú köztes hordozókban (FR4/FR5, szilícium), illetve közvetlenül a szilíciumchipek hátoldalában való kialakításának technológiáját dolgoztuk ki. A csatornák falán történő hőátadás modellezésével a csatorna optimális rajzolatának kialakítása, valamint mélységének, szélességének, hosszának optimális értékei határozhatók meg. A tokokhoz a hűtőközeget az előző cikkünkben bemutatott nyomtatott huzalozású lemezekben kialakított csatornákkal juttatjuk el. Kutatásunk másik új eredménye a napelemek hátoldalán található réz kontaktusrétegben kialakított mikrocsatornás hűtőrend- szer (5. ábra). Ennek leginkább koncentrátoros napelemcellák esetén van létjogosultsága, ahol a napfényt tükörrendszerrel a napelemcellára fókuszálják, így a hagyományos besugárzási teljesítmény akár ezerszeresét elérve, melynek következtében növelhető a napelem által termelt villamosenergia nagysága. A koncentrált fénynyalábok azonban jócskán megnövelhetik a napelemcella hőmérsékletét, ezért a cella hűtésére is szükség van, amit jobb híján csak folyadékhűtéssel lehet megvalósítani. A kidolgozott technológia legnagyobb előnye, hogy a hűtőfolyadékot szállító mikrocsatornák közvetlenül a napelemcella hátsó fémezési rétegében, a szilíciumszelet felületén valósíthatók meg, így napelem kontaktusrétege és az annak hűtésére szolgáló eszköz egy technológiai folyamat során alakítható ki. Az így elkészített struktúra egyszerre tartalmazza magát a fotovoltaikus eszközt és a mikrocsatornás hűtőrendszert, mindemellett pedig bármilyen napelemtípusra alkalmazható. A kutatás a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal K20 135224 támogatásával valósult meg.
Bognár György tanszékvezető-helyettes egyetemi docens Elektronikus Eszközök Tanszéke BME VIK
Forrás: Élet és Tudomány