Технологии охлаждения постепенно развиваются

(электрохимическое аддитивное производство)

03 июля 2024 года

Инновационная компания «Fabric8Labs» использует электрохимию и установки прямого наслоения (DLP) для 3-мерной печати из чистой меди полупроводниковых пластин охлаждения. Эти сложные геометрические системы в сочетании с жидкостным охлаждением обещают значительные улучшения в управлении теплопередачей.

По мнению вице-президента компании, около 80% дата центров используют для управления теплопередачей воздушное охлаждение. 40−50% общей потребляемой мощности направлено на удаление тепла.

Проблема сохранения работоспособности этой критически важной технологии будет только усложняться по мере того, как чипы будут становиться все более мощными. Производители микросхем и интеграторы уже сталкиваются с ограниченными возможностями систем воздушного охлаждения. Следующая волна технологий обработки данных потребует иного решения, и компания делает ставку на жидкостное охлаждение особым способом 3-мерной печати — электрохимическим аддитивным путём (ECAM).

Сегодня полупроводниковая промышленность зависит от пластин охлаждения и других устройств, которые обычно изготавливаются методом штамповки или с помощью процесса, называемого фасонной механической обработкой. В последнем случае плоский кусок металла, часто меди, подвергается операции, похожей на бритьё, которая отделяет тонкие кусочки материала, сгибая их в рёбра, которые рассеивают тепло. Процесс сводится к получению прямых, правильных линий этих рёбер, которые могут быть выполнены только в одном направлении, и ограничен с точки зрения геометрии.

Помимо производственных задач устройства управления теплопередачей, изготовленные таким образом, ограничены своей поверхностью и количеством охладителя, доставляемого ими. 3-мерная печать позволяет не только увеличить площадь поверхности и шероховатость для лучшего отвода тепла, но и открывает путь к созданию сложных систем жидкостного охлаждения пластин и теплообменников, которые существенно улучшают производительность.

Введение в электрохимическое аддитивное производство (ЕСАМ)zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

ECAM использует элементы других производственных технологий для изготовления металлических деталей в необычном процессе 3-мерной печати. Вместо порошка металла или проволоки ЕСАМ использует электролит, а водной основе для переноса ионов меди, как источник. Точный состав немного отличается от того, который можно найти в гальванической линии, но компоненты легко доступны.

Однако вместо того, чтобы равномерно наносить покрытие на уже существующую деталь, ECAM создаёт 3- мерную деталь с использованием технологии отображения методом, аналогичным цифровой обработки света — прямым послойным наращиванием (DLP). Вместо светового отверждения смол ЕСАМ активирует электрические токи от точки к точке, принуждая ионы меди из электролита формировать атомы в конкретных местах. Метал высаживается атом за атомом, позволяя в процессе образовать очень точные структуры, с высотой слоя на сегодня в диапазоне от 10 до 50 микрон.

Сборка ECAM обычно занимает всего несколько часов, в зависимости от высоты и геометрии пластины; например, один принтер может изготовить партию из четырёх пластин охлаждения примерно за три часа. После печати, пластины промываются деионизованной водой внутри установки; стекание корректирует уровень и поддерживает электролит. Во многих случаях пластины полностью готовы после извлечения из многоразового носителя, но, при необходимости, на них также можно нанести покрытие, пассивировать их или подвергнуть механической обработке.

Рис. Спиралевидное, радиочастотное устройство по технологии ЕСАМ

Преимущества ЕСАМzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Высокий уровень детализации и сложности в сочетании с использованием чистой меди в качестве исходного материала делают ECAM перспективным решением для небольших плит охлаждения, теплообменников, радиочастотных антенн и аналогичных устройств. По сравнению с другими процессами установки ЕСАМ имеют низкое энергопотребление, обеспечивая надёжность процесса печати. Электролит — безопаснее и легче обслуживать, чем порошок металла, и можно печатать без необходимости полного окружения или инертного газа. Процесс идёт при комнатной температуре, безопасно для оператора. Электролит, как источник, даёт преимущества для масштабирования 3-мерного процесса, включая возможность подключения множества принтеров к одной крупной, централизованной ёмкости, где вё время легко поддерживать содержание компонентов.

Относительно простая конструкция установки позволила компании быстро масштабировать до линии из 20 принтеров, планируя увеличение до 250 в 2024 году.

Охлаждающие пластины ЕСАМzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

По сравнению с обычными процессами ЕСАМ не требует оснастки или расходников таких, как режущий инструмент, используется дешёвый электролит, требующий незначительно внимания оператора.

Первопричиной уверенности компании являются изготовители полупроводниковой продукции и электронных модулей из-за ЕСАМ, позволяющей объединить 3-мерную печать с усовершенствованным конструированием и программным обеспечением. Конструктивы, созданные с оптимальным программным обеспечением топологии, позволяют ЕСАМ формировать сложные структуры с гораздо большей поверхностью, чем фасонная механическая обработка. Пластины, изготовленные таким образом, независимо от того, охлаждаются они воздухом или жидкостью, обладают повышенной теплостойкостью, контролируют падение давления и обеспечивают равномерность температуры по всей поверхности чип-кристалла.

Этот последний момент — равномерность температуры — на самом деле требует некоторой настройки для конкретного случая использования, поскольку сами чипы не работают при постоянной температуре.

С помощью ECAM компания может использовать тепловую карту для конкретного чипа в качестве исходных данных для разработки своей корреляционной холодильной пластины. Гироскопы и другие конструкции могут быть размещены именно там, где это необходимо, чтобы компенсировать нагревание, и даже — распределены по всей пластине равномерно, чтобы оптимизировать характеристики. Охлаждающие пластины могут быть даже настроены для каждого чипа индивидуально, что невозможно при использовании обычных технологий производства.

Достижение жёстких параметров с помощью 3-мерной печатиzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Геометрические и индивидуальные преимущества ЕСАМ плат охлаждения ещё не реализованы на сегодня клиентами компании. Компания ещё на стадии роста и подготовки масштабирования. По мнению директора по развитию компании сейчас создаётся только продукция, а установки не продаются. В местном, опытном производстве планируется запустить 250 установок ЕСАМ в текущем году. Этого должно быть достаточно для масштабного производства, например, радиочастотных устройств. ЕСАМ открыло геометрические возможности недостижимые на сегодня: конструирование 3-мерных широкополосных телекоммуникационных антенн. Иные возможности, среди других, могут быть найдены для производства медицинских и автомобильных устройств.

В планах компании пройти сертификацию ИСО, поработать над использованием олова, палладия, вольфрама, золота, сплавов меди и никеля. Есть намерение продемонстрировать печать непосредственно на кремнии с напылённой медью, когда отпадает необходимость в термоплавком материале, который должен располагаться между холодной пластиной и чипом. Чипы, которые остаются холодными, будут работать лучше и прослужат дольше, позволяя сэкономить деньги в долгосрочной перспективе.

В то время как высота охлаждающих пластин может составлять всего один-два сантиметра, технология ECAM может быть применена к более высоким деталям и деталям тонкой геометрии таким, как радиаторы с контактными ребрами (слева), радиочастотные излучатели и спирали.

Ещё одним преимуществом технологии ЕСАМ является создание круглых и иной формы охлаждающих пластин.

*************************************************

.

. Компания «БалтМедиа Партнёр» решает все возникающие на российской территории вопросы поставок, информационной поддержки, запуска и сопровождения обслуживаемого производства поверхностного монтажа, печатных плат и гальваники. Санкт-Петербург, Таллинское шоссе, 206 Тел. +7 (921) 994−95−02 Эл. почта: office@bmptek.ru Управляющий проекта — Алексей Леонов