Félvezető eszközök hűtése, hátoldalon kialakított mikroméretű csatornákkal
A fokozatos méretcsökkenésnek és a Moore-törvényen is túlmutató integrációnak következtében a félvezető eszközök egységnyi felületre vett disszipációja fokozatosan növekszik. A 3D tokozású integrált áramkörök fejlődésével párhuzamosan a félvezető eszközök innovációja az energiaiparban is megjelent. A legmodernebb napelemek hatásfoka jelenleg eléri a 40-45% -ot, amit koncentrátoros rendszerekkel érnek el. A napfényt optikai eszközökkel tükrözik és koncentrálják a fotovoltaikus cella felületére. Az így elérhető teljesítménysűrűség jelentős mennyiségű hő disszipálásával jár. A félvezető eszközben keletkező hő elszállítása, hasonlóan a 3D tokozású integrált áramkörökhöz, a napelemek esetében is fontos kérdés, hiszen a napelem megemelkedett hőmérséklete miatt az eszköz teljesítménye jelentősen csökken. Ezért a koncentrátoros fotovoltaikus eszközök (CPV) esetén - főleg a nagyobb koncentrációs értékeknél -, az aktív hűtési módszerek alkalmazása szintén elkerülhetetlen. Kiemelt jelentőségű probléma ezért ezen eszközök hatékony hűtésének megoldása, illetve az ehhez szükséges integrált hűtőeszközök előállítási technológiájának kidolgozása. A nagymennyiségű termelődött hő, lehető legkisebb hőellenállással történő elvezetése új struktúrájú, mikroméretű és integrált hűtőeszközök alkalmazását igényli.
Az Elektronikus Eszközök Tanszékén egy olyan kutatási projektben vettem részt, amelynek célja, hogy integrált hűtési megoldásokat fejlesszünk ki félvezető eszközökhöz. A projekt részeként szilícium szeletekre egy technológiai soron belül kell létrehoznunk hődisszipáló félvezető eszközöket, valamint az ellentétes oldalra mikroméretű hűtőcsatornákat, az alkalmazástól függően különböző technológiai eljárásokkal. Ezzel lehetővé válik a mikroméretű hűtőbordák hőátadási folyamatainak és hűtési teljesítményének vizsgálata és karakterizálása.
A feladatom két eltérő struktúra kidolgozása és vizsgálata, ugyanakkor a kialakított eszközök funkciójukat tekintve szorosan összekapcsolódnak. A egyik esetben magában a szilíciumban alakítom ki a mikrocsatornákat CMOS kompatibilis izotróp marás segítségével. Legnagyobb előnye, hogy az eszköz hordozója maga a szilícium. Ennek köszönhető a kis termikus ellenállás az áramkör és a hűtőfelület között. A napelemek hűtését tekintve az általam tervezett struktúrának a legnagyobb előnye, hogy a mikrocsatornákat közvetlenül a napelem cella hátsó fémezési rétegén a szilícium szelet felületén valósítom meg, így a napelem kontaktusrétege és az annak hűtésére szolgáló eszköz egy technológiai folyamat során alakítható ki. Az így elkészített struktúra egyszerre tartalmazza a PV eszközt és a mikrocsatornás hűtőeszközt. Ezzel a technológiával, egyrészt kiiktatva egy esetleges termikus interfészt, a két egység között minimalizálható a hűtőeszköz termikus ellenállása, másrészt gyakorlatilag bármilyen napelemtípusra alkalmazható.
Dolgozatomban ismertetem ezen aktív eszközök és a hűtésükre szolgáló mikrocsatornák kialakítási technológiáját. Kitérek a technológia adta előnyökre, a gyártás során felmerülő esetleges nehézségekre és azok megoldási lehetőségeire. Továbbá ismertetem a legyártott mintákon végzett karakterizáló mérések eredményeit.
szerző
-
Rózsás Gábor
Villamosmérnöki szak, mesterképzés
mesterképzés (MA/MSc)
konzulensek
-
Dr. Plesz Balázs
egyetemi docens, Elektronikus Eszközök Tanszék -
Dr. Bognár György
egyetemi docens, Elektronikus Eszközök Tanszék -
helyezés
Egyetemi Hallgatói Képviselet I. helyezett