Integrated thermal management in System-on-Package devices  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
109232
Type K
Principal investigator Bognár, György
Title in Hungarian Integrált termikus menedzsment System-on-Package eszközökben
Title in English Integrated thermal management in System-on-Package devices
Keywords in Hungarian SoP rendszerek, mikrofluidikai csatornák, hőcserélő, integrált mikrohűtő eszköz, tömbi mikromegmunkálás, termikus tranziens tesztelés, multidomén modellezés, teljesítmény elektronika
Keywords in English SoP devices, microfluidic channel, heat exchanger, microcooler, bulk micromachining, thermal transient testing, multi-domain modelling, power electronics
Discipline
Electronic Devices and Technologies (Council of Physical Sciences)80 %
Material Science and Technology (electronics) (Council of Physical Sciences)20 %
Panel Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent Department of Electron Devices (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Juhász, László
Kohári, Zsolt
Kohári, Zsolt
Mizsei, János
Németh, Márton
Neumann, Péter Lajos
Plesz, Balázs
Poppe, András
Rózsás, Gábor
Szabó, Péter Gábor
Takács, Gábor
Starting date 2014-01-01
Closing date 2018-06-30
Funding (in million HUF) 40.608
FTE (full time equivalent) 10.52
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A projekt célja új integrált mikrofludikai csatornákat tartalmazó hőcserélő struktúrák kutatása és fejlesztése, melyek alkalmazásával lehetővé válik System-on-Package eszközökben a különböző részek (chipek, érzékelők) hőmérsékletének vezérlése, termosztálása. A mikrofluidikai csatornák előállítása nedves kémiai marással fog történni, mivel ez egy olcsó, CMOS kompatibilis és több szelet egyszerre történő együttes megmunkálása alkalmas eljárás. Új, megbízható termikus karakterizációs eljárást dolgozunk ki a mikrofluidikai csatornákat tartalmazó eszközök termikus tulajdonságainak (parciális hőellenállás, hőátadási együttható) és kompakt modelljeinek meghatározására. A legfontosabb célunk egy a Lab-on-Chip kísérletekben alkalmazható integrált termosztát létrehozása és egy új, hatékony hűtési eljárás kidolgozása egymásra helyezett (stack-die, SiP) chipek esetén.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás alapkérdése az integrált termikus menedzsment lehetővé tétele SoP eszközökben. Minden elektronikai eszközben, így az SoP eszközökben a termikus okokból történő meghibásodás elkerülése érdekében a keletkezett hőt a lehető legkisebb hőellenállású úton kell elvezetni. Kulcskérdés azonban, hogy mindezt egy egymásra helyezett chip (stacked-die, SiP) struktúra esetén a legfelső szintről hogyan lehet megoldani. Másik széleskörűen kutatott kérdés, Lab-on-Chip eszközöknél az integrált termosztálás kérdése valamint a SoP eszközbe integrált vezérlő elektronika megoldása. A kidolgozandó struktúra széleskörű alkalmazhatóságnak egy másik kritikus kérdése a megbízható és specifikus teszt módszerek kialakítása és a kompakt modellek megléte, melyeket az alkalmazás tervezők használhatnak a mikrofluidikai csatornákat tartalmazó hőcserélő eszközök tervezésénél és szimulációjánál. A kitűzött kutatás munkafázisaiban mindegyik említett területet lefedtük.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A jelenlegi legkifinomultabb integrálási stratégia a System-on-Package (SoP) rendszerek kialakítását célozza, amely több új alkalmazási területet rejt magában, mint a korábbiak (SoC, SiP). Az alapötlet, mely szerint, ha az áramköri tokot az elektronikus összeköttetések megvalósításán és a lábkiosztáson kívül másra is felhasználhatjuk számos új rendszerintegrációs lehetőséget teremt. Azonban minden új integrált eszköz új kihívásokat is magával hozhat és előfordulhat, hogy a korábban elhanyagolt vagy már megoldott problémák újra előkerülnek. Az egyik fontos problémaforrás, ami a félvezető eszközök meghibásodásáért jelentős részben felelős a termikus viselkedésük. Számos példát találhatunk, hogy az elmúlt évtizedben a hőtani problémák megoldása komoly megoldandó problémát okozott a mérnököknek és a kutatóknak. A SoP eszközökben mi fel kívánjuk használni a modern mikrorendszeri technológiákat, melyek segítségével az integrált áramköri tok bizonyos részei termikusan vezérelhetővé válnak. Számos új alkalmazott kutatási terület nyílhat meg az általunk javasolt módszer eredményeképpen, ahol a SoP eszközökben speciális mikrofluidikai csatornák felhasználásával kialakított hőcserélő eszközt alkalmazhatnak. Egy ilyen szerkezettel különféle Lab-on-Chip / biológiai kísérleteket lehet megvalósítani egy kis eszközben az általunk javasolt mikroméretű termoszát felhasználásával. Mindezek mellett stack-die elrendezésű chip-ek hatékonyabb, mikrocsatornás hűtése is megvalósítható lesz. Ezen ötleteken felül elmondható, hogy a kutatás előtt álló tervünk a ma használatosnál egy olcsóbb gyártási eljárást tesz lehetővé. A projekt sikeres befejezésével még a kidolgozott karakterizálási eljárás is felkeltheti néhány multinacionális nagyvállalat érdeklődését és a kidolgozott kompakt modell is felhasználható lehet a későbbi kutatásaink során.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A legújabb elektronikai eszközök megalkotásánál egyre inkább törekszünk a magas fokú integrációra, aminek eredményeként a tokozott eszközeink egyre összetettebbek, bonyolultabbak lettek és egyre több - különböző funkciót ellátó – alkatrészek (chipek, érzékelők, beavatkozók) kerültek egy tokon belülre. Az egy tokon belül lévő alkatrészek együttesen egy egész rendszert alkotnak, és ezen irányú modern integrációs stratégiát és technológiát nevezzük System-on-Package (SoP) rendszernek. Azonban a chip felszínén és az elektronikai tokozásokban is egyre növekvő integráció újabb és újabb kérdéseket vet fel. Egyrészt az elektronikus eszközök meghibásodásainak jelentős részéért a termikus problémák a felelősek, így az integrált hűtési eljárások kidolgozása kulcskérdés a jövő integrált tokozásaiban és SoP rendszereiben. Továbbá egyes SoP rendszerekben, illetve biokémiai kísérletek, elemzések elvégzését lehetővé tevő Lab-on-Chip (LoC) eszközökben fontos, hogy a rendszer egyes részeit (például a reakciótér LoC eszközökben) állandó hőmérsékleten tartsuk. Ezeknek az előzőekben említett céloknak a megoldására, az integrált termikus menedzsment kidolgozására kínál kutatócsoportunk egy megoldást egy mikroméretű csatornákat integráltan tartalmazó hőcserélő eszköz létrehozásával.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The goal of the research work is to develop new integrated microfluidic channel based heat exchanger structures that can be used to achieve controlled temperature distribution between different areas (e.g.: chips) in System-on-Package devices. The channels will be formed by cheap, CMOS compatible wet etching process, a new, reliable thermal characterization method for measuring the thermal properties (partial thermal resistance, heat transfer coefficient) of microchannel heat exchange structure will be developed and electro-thermal models aiding the design and simulation of such microstructures with different geometries and fluid flows will be created. The main benefit of the project will be the ability to perform special Lab-on-Chip experiments using on-chip thermostating, and/or the new and more efficient way of cooling of stack-die structures.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The basic issues of the research deal with integrated thermal management in complex, System-on-Package (SoP) devices. Within SoP systems, in stacked-die structures the dissipated heat should be conducted through the lowest thermal resistance path(s) in order to avoid thermal failure of the system. Current state-of-the-art research topic is solving the dissipated heat removal from the top dies in stacked-die structures. Another highly researched question is solving the integrated thermostat in Lab-on-Chip or in SoP systems with integrated control possibility. Another crucial issue for prevalent application is the need of reliable and specific testing and characterization methods, and the existence compact models that can be used for design and simulation of microfluidic channel based heat exchanger structures by application designers. Our goal is to prepare a new integrated solution for these questions by applying micro-technological process steps, and work out new thermal characterization procedure and compact models of these integrated microscale structures. All issues are addressed in the work packages of the research project.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The current, most sophisticated integration strategy called System-on-Package concept holds many new possible applications than the previous ones (SoC, SiP). The new idea of using the electronic package itself for electronic purposes other than realizing the electrical connection gives much more option for system integration than ever before. However all new integrated equipments raise new challenges and can make particular neglected or solved effects inevitable again. One major issue that can cause malfunctions in semiconductor devices is their thermal behaviour. In the last decade this effect causes more and more trouble for engineers and scientists. In System-on-Package devices we would like to use a recent advancement in microsystem technology to acquire the ability to have thermal control over specific parts of an integrated package. We strongly believe that our proposed method to use microfluidic channel based heat exchangers in SoP devices includes many new ideas which can open other applied research areas. With this ability Lab-on-Chip/biological experiments might be carried out in a smaller device using microscale thermostats and a more efficient way of cooling of stack-die structures can be elaborated. In addition to the microscale thermostating idea our solution for microscale cooling can be solved in a cheaper way that is used to today. Beside these ideas the new characterization method can also gain the interest of some multinational companies to be used for quality management of their own products and the behaviour models can be utilized in latter researches.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The current state-of-the-art integration strategy of electronic devices is called System-on-Package. The devices with such an integration enables us to design such systems that was previously unimaginable. However every step in the integration raises new and/or more complex challenges. A typical issue is called thermal management because as the recent studies show the thermal problems in electronic devices are responsible for the majority of the malfunctions. In our research we aim to design new and more efficient conceptions to open the field of thermal management in a wider range that was previously available. Our research team is intended to use special microfluidic systems which can help us to achieve the needed thermal effects in different areas within a single (but complex) package that can make biological testing in an electronic package easier in the future or can be used to increase the cooling capability of highly integrated electronic devices.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Az OTKA K109232 kutatás célja egy integrált termikus menedzsment rendszer kialakítása, az aktív eszközök termosztálásara és hűtésére a félvezető hordozóban kialakított mikroméretű csatornákban lezajló kényszerített konvekció által. A nedves kémiai maráson alapuló gyártástechnológia kidolgozását követően számos mintát állítottunk elő különböző csatorna geometriákkal, méretekkel valamint különböző csatornaelrendezéssel (egy félvezetőn egy illetve több parallel illetve sugárirányú csatorna). Továbbiakban termikus tranziens tesztelésen alapuló karakterizációs eljárás kidolgozása történt az áramlási sebességtől függő parciális hőellenállás meghatározására. Számos másodlagos effektus figyelembevételével sikerült egy validatív, ismételhető eljárást kidolgozni. CFD modellezéssel és szimulációkkal igazoltuk a mérési eredmények helyességét és érvényességét. Az eredményekre alapozva sikerült analitikus modellt alkotni a csatornák falain történő konvektív hőátadás leírására és egy szimulációs, modellező programot készítettünk a termikus és hidrodinamikai tulajdonságok meghatározására. Az új modellezési eljárással meghatározhatóvá válik a hőellenállás értéke a csatorna fala és a környezet között. A kutatás utolsó fázisában a koncentrátoros napelem cellák hátoldali fémezésben kialakított mikroméretű csatornás hűtőrendszerek kialakításával és modellezésével foglalkoztunk.
Results in English
In the frame of OTKA K109232 research project the main aim was to develop an integrated thermal management system to cool/thermostat semiconductor devices through forced convection by realizing integrated microscale channel structures inside the substrate of the semiconductor devices with active electronic devices on the other side. The fabrication process technology to apply anisotropic etching steps was successfully worked out and several structures were formed with different channel geometries and dimensions, realizing single, parallel and radial arrangement of them. The initial characterization steps based on thermal transient measuring at different working fluid flow rates were elaborated and carried out and the overall measuring system was fine-tuned to realize a valid, repeatable characterization method by eliminating several secondary error sources. In order to validate the measurement results CFD modelling and simulation was accomplished and based on these results an analytical based modelling methodology was worked out and a complete modelling tool was developed to determine hydrodynamic and thermal properties of the channels. A new analytical formula was founded to determine the exact heat resistance value between the wall of the channels and the ambient. In the last phase of the research we focused on the cooling of PV cells by realizing channel structures within the backside metalization. The technology has been elaborated and modelling steps were accomplished.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=109232
Decision
Yes





 

List of publications

  
Takács Gábor: Integrált mikrocsatornás hűtőeszközök modellezése és karakterizációja, BME OMIKK, BME VIK EET, 2018
György Bognár, Gábor Takács, Péter G. Szabó, Gábor Rózsás, László Pohl, Balázs Plesz: Integrated Thermal Management in System-on-Package Devices, Periodica Polytechnica Electrical Engineering and Computer Science, Vol. 62., Vol. ?., 2018
G. Rózsás, Gy. Bognár, G. Takács, B. Plesz: Fabrication of a backside contact integrated microchannel cooling for concentrator solar cells, In: anon (szerk.) (szerk.) 9th International Workshop on Teaching in Photovoltaics IWTPV'18. Prága: Czech Technical University in Prague, 2018. pp. 15-19., 2018
Gy. Bognár, G. Takács, L. Pohl, P. G. Szabó: Thermal modelling of integrated microscale heatsink structures, MICROSYST TECHNOL 24: (1) pp. 433-444., 2018
Rózsás Gábor: Félvezető eszközök hűtése, hátoldalon kialakított mikroméretű csatornákkal, BME Intézményi Tudományos Diákköri Konferencia, 2017
G. Takács, P. G. Szabó, Gy. Bognár: Modelling of the flow-rate dependent partial thermal resistance of integrated microscale cooling structures, MICROSYST TECHNOL 23: (9) pp. 4001-4010., 2017
Gábor Takács, György Bognár, Enikő Bándy, Gábor Rózsás, Péter G. Szabó: Fabrication and Characterization of Microscale Heat Sinks, MICROELECTRON RELIAB 79: (-) pp. 480-487., 2017
György Bognár, Gábor Takács, László Pohl, Lázár Jani, András Timár, Péter Horváth, Márton Németh, András Poppe, Péter Gábor Szabó: Integrating Chip-level Microfluidics Cooling into System Level Design of Digital Circuits, In: Veerendra Mulay, Jesse Galloway, Adriana Rangel (szerk.) (szerk.) Proceedings of the 33rd IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium (SEMI-THERM'17). San Jose (CA): IEEE, 2017. pp. 77-87., 2017
Plesz Balázs, Takács Gábor, Szabó G. Péter, Kohári Zsolt, Németh Márton, Bognár György: Integrated microscale cooling for concentrator solar cells, In: Pascal Nouet (szerk.) (szerk.) Proceedings of the Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP'17). Montpellier: University of Montpellier, 2017. pp. 158-161., 2017
G. Takács, P. G. Szabó, Gy. Bognár: Enhanced thermal characterization method of microscale heatsink structures, MICROELECTRON RELIAB 67: (-) pp. 21-28., 2016
Gábor Takács, György Bognár, Enikő Bándy, Gábor Rózsás, Péter G. Szabó: Fabrication and Characterization of Microscale Heat Sinks, In: András Poppe (szerk.) (szerk.) Proceedings of the 22nd International Workshop on THERMal INvestigation of ICs and Systems (THERMINIC'16). Budapest: BME Elektronikus Eszközök Tanszék, 2016. pp. 264-267., 2016
Gy. Bognár, G. Takács, L. Pohl, P. G. Szabó: Thermal modelling of integrated heatsink structures, In: B Charlot, Y Mita, P Nouet, F Pressecq, M Rencz, P Schneider, N Tas (szerk.) (szerk.) Proceedings of the Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP'16). New York: IEEE, 2016. pp. 173-177., 2016
G. Takács, P. G. Szabó, Gy. Bognár: Modelling of the flow rate dependent partial thermal resistance of integrated microscale cooling structures, In: Charlot B, Mita Y, Nouet P, Pressecq F, Schropfer G, Rencz M, Schneider P (szerk.) (szerk.) Proceedings of the Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP'15). New York: IEEE, 2015. pp. 252-255., 2015
G. Takács, P. G. Szabó, Gy. Bognár: Enhanced Thermal Characterization Method of Microscale Heatsink Structures, In: Chris Bailey, Bernhard Wunderle, Sebastian Volz (szerk.) (szerk.) Proceedings of the 21st International Workshop on THERMal INvestigation of ICs and Systems (THERMINIC'15) . Paris, Franciaország, 2015.09.30-2015.10.02. Kiadvány: Paris: 2015. pp. 1-4. Paper 156. , 2015
G. Takács, P. G. Szabó, Gy. Bognár: Thermal management in System-on-Package structures by applying microscale heat sink. Part I: Consideration of the appropriate channel length of microscale heat sink(s), MICROELECTRON J 46: (12 A) pp. 1202-1207., 2015
Takács Gábor, Bognár György, Szabó Péter Gábor: Hőátadási jelenségek vizsgálata mikroméretű csatornákat tartalmazó integrált hűtőeszközökben, In: Keresztes Gábor (szerk.) (szerk.) Tavaszi Szél 2015 / Spring Wind 2015 Konferenciakötet: III. kötet. Eger: Líceum Kiadó, 2015. pp. 435-446., 2015
Takács Gábor, Bognár György: Mikroméretű hűtőeszközök kutatása SoP-alkalmazások számára, ELEKTRONET (ISSN: 1219-705X) 23: (1) pp. 26-27. (2014), 2014
G. Takács, P. G. Szabó, Gy. Bognár: Improved thermal characterization method of integrated microscale heat sinks, MICROELECTRONICS JOURNAL (ISSN: 0026-2692) 45: (12) pp. 1740-1745. (2014), 2014
Takács Gábor, Dr. Szabó Péter Gábor, Dr. Bognár György: Hőátadási jelenségek vizsgálata mikroméretű csatornákat tartalmazó integrált hűtőeszközökben, Tavaszi Szél Multidiszciplináris Doktorandusz Konferencia, pp. 415-426, Eger, 2015. április 10-12, 2015
G. Takács, P. G. Szabó, Gy. Bognár: Enhanced Thermal Characterization Method of Microscale Heatsink Structures, 21st International Workshop on THERMal INvestigation of ICs and Systems (THERMINIC'15). Paris, France, 2015.09.30-2015.10.02., 2015
G. Takács, P. G. Szabó, Gy. Bognár: Modelling of the flow rate dependent partial thermal resistance of integrated microscale cooling structures, Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP'15). Montpellier, France, 2015.04.27-2015.04.30.pp. 252-255., 2015
G. Takács, P. G. Szabó, Gy. Bognár: Thermal management in System-on-Package structures by applying microscale heat sink. Part I: Consideration of the appropriate channel length of microscale heat sink(s), Microelectronics Journal Volume 46, Issue 12, Part A, December 2015, Pages 1202–1207, 2015
Dr. Bognár György: Multi- és interdiszciplináris tehetséggondozás a felsőoktatásban műszaki, természettudományos, informatika területen, OPUS ET EDUCATIO 2:(4) pp (2015), 2015
G. Takács, P. G. Szabó, Gy. Bognár: Modelling of the flow-rate dependent partial thermal resistance of integrated microscale cooling structures, MICROSYST TECHNOL -: (-) 1-10, 2016
G. Takács, P. G. Szabó, G.y Bognár: Enhanced thermal characterization method of microscale heatsink structures, MICROELECTRONICS RELIABILITY 67:(-) pp. 21-28.., 2016
Gábor Takács, György Bognár, Enikő Bándy, Gábor Rózsás, Péter G. Szabó: Fabrication and Characterization of Microscale Heat Sinks, Proceedings of the 22nd International Workshop on THERMal INvestigation of ICs and Systems, Budapest, Magyarország, pp.264-267, 2016
Gy. Bognár, G. Takács, L. Pohl, P. G. Szabó: Thermal modelling of integrated heatsink structures, Proceedings of the Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP'16)., Budapest, Hungary, pp. 173-177., 2016
Gábor Takács, György Bognár, Enikő Bándy, Gábor Rózsás, Péter G. Szabó: Fabrication and Characterization of Microscale Heat Sinks, MICROELECTRON RELIAB -: (-) 1-8, 2017
Gy. Bognár, G. Takács, L. Pohl, P. G. Szabó: Thermal modelling of integrated microscale heatsink structures, MICROSYST TECHNOL -: (-) 1-12, 2017
György Bognár, Gábor Takács, László Pohl, Lázár Jani, András Timár, Péter Horváth, Márton Németh, András Poppe, Péter Gábor Szabó: Integrating Chip-level Microfluidics Cooling into System Level Design of Digital Circuits, In: Veerendra Mulay, Jesse Galloway, Adriana Rangel (szerk.) (szerk.) Proceedings of the 33rd IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium (SEMI-THERM'17). San Jose (CA): IEEE, 2017. pp. 77-87., 2017
Plesz Balázs, Takács Gábor, Szabó G. Péter, Kohári Zsolt, Németh Márton, Bognár György: Integrated microscale cooling for concentrator solar cells, In: Pascal Nouet Pascal Nouet (szerk.) (szerk.) Proceedings of the Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP'17). Montpellier: University of Montpellier, 2017. pp. 158-161., 2017




 

Events of the project

  
2019-06-17 12:09:47
Résztvevők változása
2018-05-24 11:08:34
Résztvevők változása
2016-08-19 11:00:55
Résztvevők változása
2015-12-11 14:10:40
Résztvevők változása



Back »