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H. Zugaj:
"Thermische Charakterisierung von topographisch strukturierten Siliziumsubstraten für die Leistungselektronik";
Betreuer/in(nen): G. Hanreich; Institut für Industrielle Elektronik und Materialwissenschaften, 2002.

Durch die immer weiter fortschreitende Miniaturisierung in der Elektronik und der damit verbundenen immer größer werdenden Leistungsdichte ist es notwendig, Kühlmethoden einzusetzen, welche mit flüssigen Kühlmedien arbeiten.
Flüssigkeitskühler haben ebenso wie Luftkühler den Nachteil, dass ein umströmter Kühlkörper benötigt wird, welcher auf das Bauelement aufmontiert werden muss, wodurch ein nicht zu vermeidender Wärmeübergangswiderstand zwischen der Wärmequelle - dem Chip - und dem Kühlkörper auftritt.
Ein Ansatz zur Verbesserung der Situation liegt im Einsatz von einseitig strukturierten Siliziumchips, welche ohne zusätzlichen Kühlkörper in direktem Kontakt mit der Kühlflüssigkeit stehen. Um eine möglichst effiziente Wärmeübertragung vom Siliziumsubstrat in das flüssige Kühlmedium zu ermöglichen, ist es zunächst notwendig, die Beeinflussbarkeit des Wärmeübergangs durch eine Oberflächenstrukturierung der Substrate zu untersuchen und in der Folge die optimale Strukturierung aufzufinden.
In dieser Diplomarbeit wird der Wärmeübergangskoeffizient von strukturierten Siliziumsubstraten gegenüber einer Kühlflüssigkeit bestimmt. Dabei wird untersucht, wie sich unterschiedliche Oberflächengestaltungen, deren Formen an die im Kühlkörperbau verwendeten Geometrien angelehnt sind, auf den Wärmeübergangskoeffizienten auswirken. Mittels CFD- Simulation wird versucht abzuschätzen, ob bekannte Berechnungsmethoden für makroskopische Strukturen, welche gleichmäßige Umströmung der einzelnen Strukturkörper voraussetzen, für die betrachteten Fälle gültig sind.
Um den Wärmeübergangskoeffizienten von strukturierten Siliziumsubstraten und dessen Abhängigkeiten experimentell bestimmen zu können, werden Substrate mit unterschiedlichen Strukturgeometrien und unterschiedlichen Strukturdimensionen in einen Messkühler eingebaut und der Oberflächentemperaturverlauf der mit einem Laserstrahl beheizten Substrate gemessen.
Mittels Reverse-Modeling wird anhand der gemessenen Oberflächentemperaturverläufe bei bekannten Randbedingungen auf einen mittleren Wärmeübergangskoeffizienten geschlossen, der den Wärmeübergang des untersuchten Siliziumsubstrates gegenüber der Kühlflüssigkeit, im speziellen Fall Wasser, beschreibt. Um eine quantitative Abschätzung der einzelnen strukturierten Substrate durchführen zu können, wird auch ein Substrat mit blanker Oberfläche, welches als Referenzsubstrat dient, auf die selbe Weise vermessen.
Abschließend werden die einzelnen Substrate miteinander verglichen, um die Verbesserung des Wärmeüberganges in Abhängigkeit der unterschiedlichen Strukturgeometrien abschätzen zu können. Ebenso wird der Einfluss von unterschiedlichen Strukturabmessungen anhand von zylinderförmig strukturierten Substraten untersucht. Diese unterscheiden sich im Abstand zwischen den einzelnen zylinderförmigen Strukturkörpern und im Durchmesser der Zylinder.
Anhand der durchgeführten Untersuchungen zeigt sich, dass es aufgrund der zu geringen Abstände zwischen den einzelnen Strukturkörpern und deren zu geringe Höhe, zu keiner erkennbaren Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten kommt.
Den aufgezeigten Trends kann entnommen werden, dass für weitere Experimente ein Strukturraster größer 200 µm und eine Strukturhöhe größer 100 µm beim Design der Substratstrukturierung gewählt werden muss.

In modern electronic equipment total dissipated power levels are continuously increasing. At the same time the market forces a reduced package sizes for all electronic components. This "increased power - decreased size" scenario leads to a high heat density in modern packaging. This thermal challenge can cause equipment failure if the heat is not properly transported away from the electronic component. So there is the need for high efficient cooling systems. A very efficient way to cool an electronic component is liquid cooling.
Similar to air-cooling, for nowadays liquid cooling a pin-fin heat sink is mounted onto the component. Although there are a lot of high efficient pin-fin heat sinks, this way of cooling has the big disadvantage, that there is always a thermal resistance between the heat source (the electronic component) and the heat sink, which decreases the overall performance of the cooling system.
One possibility to eliminate this problem is the direct contact between the silicon heat spreader and the coolant, so that there is no need for a pin-fin heat sink. To achieve a high thermal performance of the heat spreader, it is structured on the surface that is surrounded by the coolant and performs the heat contact to the coolant. If we want to develop such micro structured silicon heat spreaders we should investigate how the geometry of the surface structure affects the heat transfer coefficient.
This dissertation submitted for a diploma determines for a lot of different topographical structured silicon heat spreaders the heat transfer coefficient between substrate and coolant. The affects of structure geometries and different structure sizes on the heat transfer coefficient will be discussed in this dissertation. To validate if known calculation methods for pin-fin heat sinks can be used to characterize the small structures placed on the surface of the substrate, a CFD (Computational Fluid Dynamics) Simulation is used.
Because it's not possible to measure the heat transfer coefficient of a high performance heat spreader (there is no way to apply an high heat density of some 100 W/cm² evenly over the whole heat spreader) an experimental method is used to determine this coefficient. In this experimental set-up the heat spreader is mounted into an coolant (water) supply and heated by an CO2 Laser and the temperature-versus-time function of the heat spreaders surface is measured by two thin wire thermocouples and recorded.
Using Reverse-Modeling this temperature-versus-time function is used to calculate the heat transfer coefficient between substrate and water of the investigated heat spreader. To get an idea of the improvement achieved by the structured surface, the heat transfer coefficient of a plain reference silicone substrate is determined the same way.
As a conclusion of the dissertation the different Substrates are compared with each other. Because of this comparison it's possible to estimate the affect of the different structures on the heat transfer coefficient. For this comparison silicon substrates with 5 different structure geometries have been used. To find out how structure size affects the heat transfer coefficient substrates with cylindrical structures, all structures with different size (distance between the cylinders and different diameter), have been compared.
The experiment and the comparisons showed, that the heat transfer coefficients of investigated silicon substrates are very similar to the coefficient of the reference substrate. The reasons for this result can be found in the height of the structures, which is only about 40 µm. Another reason is the structure grid, which is only 100 µm.
For future structured silicon substrates the dissertation shows, that the grid size of the structure must be greater than 200 µm and the height of the structure should be greater than 100 µm.