Microfluïdica voor thermisch beheer met hoge prestaties

Toepassingsmogelijkheden micro chip cooling

Of het nu gaat om de vermogenselektronica in een elektrisch voertuig, een serverbord in een datacenterrek of een 5/6G-antennebasisstation: als fabrikant of toeleverancier in een concurrerende markt sta je doorlopend voor de uitdaging om de prestaties van micro-elektronica te verbeteren. De eigenaar van een elektrisch voertuig wenst een hogere actieradius, de klanten van datacenters vragen om installaties die minder kostbare vloeroppervlakte in beslag nemen, in combinatie met een lager stroomverbruik. En de ontwikkelaar van een antennebasisstation streeft naar duurzame maar razendsnelle communicatie in steeds kleinere en efficiëntere telecominfrastructuur.

Honderden malen meer capaciteit door chip cooling

Een belangrijke manier om prestaties van micro-elektronica en de pakketten waarin micro-elektronica is geïntegreerd te verbeteren, is het verhogen van de energiedichtheid. Dat is een uitdaging die om een zo efficiënt mogelijke koeling vraagt. Dat kan door upscaling of downscaling, maar meestal gaan beide opties hand in hand: upscaling van de performance, terwijl gelijktijdig moet worden gedownscaled in grootte en gewicht, ook voor wat de koeling betreft.

Met High Performance Thermal Management Technology biedt TNO een oplossing voor deze tweevoudige uitdaging. Enerzijds biedt de technologie honderden malen meer koelcapaciteit dan conventionele toepassingen. Anderzijds is de technologie geïntegreerd in de micro-elektronica zelf, waardoor deze veel minder ruimte in beslag neemt.

Technologie voor onder andere active thermal management TNO ontwikkelde en patenteerde de disruptieve Micro-Fluidic 2 phase Cooling-technologie, met als kenmerken:

• Ultradun koellichaam (0,1 mm+)
• Extreme 500x hogere warmteoverdrachtscoëfficiënt (>> 250watt/cm2)
• Extreem laag debiet (500x minder)
• Koellichaam kan worden opgebouwd op silicium-wafers
• Fabricage mogelijk door tal van kostenefficiënte technieken

De technologie kan in talloze domeinen worden toegepast, van datacenters en elektrische voertuigen tot micro-elektronica en active thermal management voor bijvoorbeeld led’s.

Toepassing in datacenters

Een van de toepassingsgebieden van de nieuwe technologie is micro-elektronica die is geïntegreerd in de serverborden die gemonteerd zijn in datacenter-serverracks.

TNO’s direct-to-chip of in-chip koudeplaat-vloeistofkoelingstechnologie maakt het volgende mogelijk:

• (Hyperschaal-) datacenters met krachtige serverkaarten met GPU's en CPU's die thermische ontwerpvermogens (TDP’s) bereiken van 400 watt en meer in combinatie met zeer efficiënte koeling.
• Supercomputers/high-performance computing (HPC) welke niet beperkt zijn door te hoog oplopende GPU/ CPU temperaturen.
• Efficiënte kunstmatige intelligentie (AI) infrastructuren
• Uiterst efficiënte microkanaal-chipkoeling die voor vele toepassingsgebieden het wereldwijde energieverbruik zal verminderen.

Hoge koelcapaciteit voor EV’s

Een tweede toepassingsgebied is de vermogenselektronica die in elektrische auto's is geïntegreerd, de EV power electronics. Denk aan omvormers, boordladers (OBC), elektrische aandrijfmotoren, accupacks en accucellen/stacks. TNO's Micro-Fluidic 2 phase Cooling-technologie maakt het volgende mogelijk:

• In-situ, kleinschalige inverterkoeling
• Microkanaalgekoelde elektrische aandrijfmotoren
• Kleinschalige, zeer efficiënte, ingebouwde laadsystemen
• Lichtgewicht accusysteem met optimale koeleigenschappen
• Integratiemogelijkheden van alle koelcircuits

Hiermee levert micro-fluidic cooling technologie een belangrijke bijdrage aan downscaling van elektronische auto-onderdelen die leidt tot gewichtsbesparing en een hogere actieradius. Een belangrijk voordeel voor de consument, waarmee je ook de niet-elektrische rijder mogelijk over de streep trekt, is de kortere laadtijd en de grotere capaciteit van de batterij in elektrische voertuigen en daarmee een grotere range.

PCB micro-elektronica

Een derde voorbeeld van toepassingsgebieden wordt gevormd door hoge dichtheid, hoge complexiteit en in sommige toepassingen hoog vermogen micro-elektronica op interconnect printed circuit boards (High Density PCBs).
TNO's Micro-Fluidic 2 phase Cooling-technologie maakt onder meer het volgende mogelijk:

• In-package (PCB-niveau) micro-fluïdische koeling
• Dubbelzijdige micro-fluïdische device koeling
• Hotspotpreventie van apparaten bij hoge temperaturen

Koeling van 5/6G-antennebasisstations

Fabrikanten van antennebasisstations hebben een steeds grotere behoefte aan koeling omdat de densiteit in de antennekasten steeds hoger wordt. Op dit moment wordt gebruikgemaakt van passieve koeling via koelribben op de antenne. Micro-Fluidic 2 phase Cooling-technologie maakt het mogelijk om actief te koelen. Zo koelen we de antennekast met een closed loop, 2 fasen, solution.

Dankzij de sterk verbeterde koeling kun je als fabrikant compactere antennebasisstations bouwen die makkelijker te installeren zijn en minder zichtvervuiling geven in het stadslandschap en de natuur. Door de compactheid ontstaan ook nieuwe integratiemogelijkheden in bijvoorbeeld lantaarnpalen.

Wat kan TNO bieden?

• Optimaal thermisch fluïdisch ontwerp voor uw veeleisende toepassing
• Gebruikmakend van geavanceerde modellering en thermische/flow-ervaring
• Ontwikkeling van de optimale productiemethode (AM / Conventioneel)
• Validatie van het concept door laboratoriumexperimenten en uitvoeringsruns
• Ondersteuning van uw R&D-team (system engineering, control engineering, procesintensificatie) bij complexe projecten
• IP-licentie voor uw toepassingsgebied