MICRO-KOELER HOUDT HETE KNOOPPUNTEN VAN CHIPS OP TEMPERATUUR

Micro-koelers die op strategische posities op (opto-)elektronische schakelingen zijn aangebracht kunnen de levensduur van deze chips flink verlengen. Onderzoekers van de Universiteit van Californië in Santa Barbara hebben een nieuw type micro-koeler ontwikkeld dat niet alleen de vereiste koelcapaciteit lijkt te kunnen leveren maar dat bovendien eenvoudig is te integreren in de bestaande chipfabricatietechnologie (Applied Physics Letters, maart).

Micro-koelers werken op basis van het Peltier-effect. De Franse fysicus Jean Peltier ontdekte in 1834 dat een elektrische stroom door twee verschillende geleiders, afhankelijk van de stroomrichting, aan de ene kant van het scheidingsvlak tussen beide materialen opwarming veroorzaakt, en aan de andere afkoeling.

In de halfgeleiderindustrie wordt dit principe op brede schaal toegepast. Schakelingen op chips kunnen lokaal forse warmteontwikkeling te zien geven en als die warmte onvoldoende wordt afgevoerd gaat de chip veel eerder stuk. De nu veelal gebruikte micro-koelers zijn van Bi2Te3, een verbinding van bismuth en telluur. Ze koelen adequaat maar het probleem is dat hun fabricage niet geïntegreerd kan worden met die van de silicium-chips. Dus moeten ze achteraf in een extra productieslag worden aangebracht.

De Amerikaanse groep, onder leiding van John Bowers, maakt micro-koelers van silicium en germanium waaraan een geringe hoeveelheid koolstof is toegevoegd. Dit laatste omdat de iets grotere roosterconstante van germanium (vergeleken met silicium) tot mechanische spanningen op het scheidingsvlak tussen silicium-chip en micro-koeler leidt, die door een bufferlaag moeten worden opgevangen. Toevoeging van koolstof zorgt alsnog voor een goede fit.

Op dit moment is met de nieuwe micro-koelers, die 0,040 bij 0,040 mm klein kunnen zijn, een koeling van 7 graden Celsius bereikt. Dat is nog lang niet genoeg, maar theoretische berekeningen wijzen uit dat de benodigde tientallen graden met het nieuwe materiaal haalbaar moeten zijn.