En ytterligare trend är att vissa komponenter behöver drivas extra hårt under en kort tid . Det kan gälla ett förstärkarchip i en radar eller en grafikkomponent i en smartphone som behöver en stunds extra boost när den efterbearbeter några tagna fotografier i kameran. I sådana fall kan det vara lämpligast att lagra den extra värmen ovanpå komponenten för att sedan låta den transporteras bort till det ordinarie kylsystemet, mot skalet i en tablet eller kylvätskeslingan i ett flygplan. Fördelarna med ett kortverkande värmelager är tre:

• man kan bibehålla det ordinarie kylsystemet som det är
• den maximala temperaturen på chipet blir be tydligt lägre
• differensen mellan den lägsta och högsta temperaturen blir mindre.

De båda sista aspekter är ofta direkt relaterade till livslängden på en komponent.

Saab AB, Smoltek AB och Chalmers Tekniska Högskola har studerat värmelagring ovanpå chip i ett nyss avslutat Vinnova projekt i NFFP7 (Nationella Flygforskningsprogram 7). Målet var att lagra 3 Joule i en sekund lång ”boost” i ett material som var litet nog att kunna läggas ovanpå ett chip, och i en förlängning låta det vara en del av innanmätet i en kapslad komponent. Det försiggår mycket aktivitet i forskarvärlden på detta område. I framtiden kan man tänka sig att en del kapslade komponenter innehåller både värmelagring och aktiv kylning. Vårt NFFP7-projekt innehöll systemstudie, simuleringar och experiment. Syftet var att ta teknologin från en låg mognadsnivå och bedöma om den med tiden kan bli användbar i en radar.

Systemstudien visade att värmelagret måste ligga mycket nära effektkällan för att överhuvudtaget reagera på 1 sekund boost av chipets dissiperade effekt. Vi lade materialet direkt ovanpå transistorområdet ovanpå en tänkt HEMT i kisel. Det visade sig vidare att lagret gör mest nytta om det använder sitt latenta värme under boosten, alltså smälter när effektenslås på och stelnar när effekten är avslagen. På marknaden finns några få material som smälter vid lämplig temperatur och har hög värmelagringsförmåga per volymenhet.

Gallium är en populär metall som smälter vid 29 °C i kommande kommersiella produkter. Vill man ha enarbetstemperatur runt 100 °C så är blandningar med bismuth, tenn och indium i olika proportioner mer användbara. Vissa salter och vaxer är också lämpliga men de kräver större volym och är för långsamma värmetransportörer. Ett populärt forskningsområde är att använda en ”svamp” av kol eller metall som fungerar som behållare till det fasbytande materialet och också ökar den effektiva värmeledningsförmågan.

Det är viktigt att smältfronten rör sig i större delen volymen under en boost. I vårt fall skulle ett lager vara maximalt 2 mm högt och ha en total volym på ca 10 mm3. Detta är fullt rimliga mått i en komponent med denna extra funktion, t.ex i en QFN-kapsel. Den ökade vikten för en hel radarantenn blir mindre än 100 gram. Simuleringarna visade på fler viktiga egenskaper hos värmelagret i samspel med chipet och kapseln. En viktig del är att värmeledningen ner till den ordinarie kylmekaniken inte få vara ”för” bra. Istället ska den termiska resistansen uppåt vara så låg som möjligt så att boostvärmen tvingas att gå upp i värmelagret. Detta underlättas om smältfronten ligger termiskt nära de varma transistorerna, till exempel genomatt ha hög värmeledning i värmelagret. Detta kan uppnås genom att använda kolnanofiber, kolnätverk eller kopparskum som matrismaterial.

Simuleringarna belyste också vikten av att i förväg specificera hur en boost ser ut. Det är annars lätt att i förtid mätta hela lagret t.ex. genom att öka boost-tiden eller öka effekten. Då smälter till slut hela lagret och temperaturen på komponenterna stiger därefter brant. I det experimentella arbetet använde vi en värmare med måtten 1 mm x 1 mm som låg på en kiselkropp. Det representerar ett område på ett chip som innehåller ett antal transistorer. I detta projekt arbetade vi manuellt med att tillverka pellets av det fasbytande materialet (Phase Change Material, förkortat PCM), och applicering ovanpå värmaren.

En fyrpunktsuppkoppling gjorde att vi kunde mata in 3 J och samtidigt mäta resistansen i värmaren. Denna kunde sedan kalibreras mot kända temperaturer. Efter kalibrering av termometern började vi logga temperatur som funktion av tid. Det blev efterhand tydligt att det går att få till den karakteristiska skuldran på uppvärmningsförloppet, en konsekvens av pågående smältning. Med rätt inställningar gick det att reducera temperaturen med 40 °C grader och skillnaden mellan max och min reducerades ännu mer. Beroende på nerbrytningsmekanismernas aktiveringsenergi kan man anta att livslängden har förlängts med en tiopotens eller kanske två.

Sammantaget ser framtiden ljus ut för värmelagring ovanpå chip. Mognadsgraden är låg men det finns flera kommersiella företag och militärfinansierade projekt på amerikanska universitet som arbetar med teknologin. Först ut blir förmodligen high-end mobiltelefoner och andra tablets, kanske bärbara datorer med turbo-boosts, följt av aerospace och militära tillämpningar.