Flüssigkeitskühlung für mikroelektronische Bauelemente
Je mehr Strom mikroelektronische Bauelemente verbrauchen, desto mehr Energie wird abgeleitet, und somit ist ein Temperaturanstieg unvermeidlich. Die erzeugte Wärme muss abgeführt werden, um unter verschiedenen Bedingungen einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, ohne das Leistungsverhalten zu beeinträchtigen. Das von der EU finanzierte Projekt THERMAPOWER (Thermal management of high power microsystems using multiphase flows) vereinte zwölf Partner mit einander ergänzender Kompetenz in Mikrofertigung, experimentellen Verfahren sowie analytischer und numerischer Modellierung. Ihre enge Zusammenarbeit ermöglichte sowohl Wissenstransfer als auch Zugang zu einzigartigen Versuchsanlagen, womit die Position der EU in diesem technologischen Bereich gestärkt werden konnte. Gleichermaßen bot sich die Möglichkeit zur Schulung von 20 Nachwuchsforscherinnen und -forschern in experimentellen Methoden und Modellierungsverfahren zur Phasenveränderungsüberwachung und Mikrofabrikation. Das THERMAPOWER-Team untersuchte in Versuchen zweiphasige Strömungen in Röhren und Kanälen mit variabler Oberflächenstrukturierung. Unter Einsatz zukunftsweisender Bildgebungsverfahren charakterisierten sie Zweiphasenströmungen mit deformierbaren Grenzflächen nahe strukturierter und beschichteter Oberflächen. Die Forschung deckte überdies die Quantifizierung von Kondensations- und Verdampfungswärmeströmen für Flächen mit unterschiedlichen Benetzungsgraden in Mikrokanälen mit verschiedenen Querschnitten ab. Insbesondere wurden Strömungsinstabilitäten quantifiziert, die mit Zweiphasenströmungen verbunden sind. Die Resultate veranschaulichen, dass Strömungsinstabilitäten durch Messung von Druck- oder Temperaturabfällen über die Kanäle hinweg aufgezeichnet werden können. Mit Hilfe eines neuartigen thermischen Bilderzeugungsverfahrens legten die Wissenschaftler die Existenz hydrothermaler Instabilitäten an der Basis wachsenden Blasen während der Verdampfung offen. Die bedeutendste Errungenschaft von THERMAPOWER war ein numerisches Modell, das die gesamte Siedekurve ohne Anpassung der Parameter vorhersagen kann. Das neue Modell kann bei der Untersuchung der Wärmeübertragung zum Einsatz kommen, was signifikante Auswirkungen auf die Auslegung von Geräten wie Mobiltelefonen und Weltraumausrüstung haben wird.
Schlüsselbegriffe
Flüssigkühlung, mikroelektronische Bauelemente, THERMAPOWER, Strömungsinstabilitäten, Wärmeübertragung
