Geri Dön

Computational analyses of die-embedded microchannels for high electron mobility transistors considering thermal, hydrodynamic and structural behavior

Yüksek elektron mobiliteli transistorlara uygulanmış gömülü mikrokanal yapılarının ısıl, hidrodinamik ve yapısal davranışlarının hesaplamalı analizleri

PDF İndir

  1. Tez No: 856752
  2. Yazar: ORÇUN YILDIZ
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ, PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 141

Özet

Elektronik elemanların, gelişen teknoloji ile beraber sürekli olarak küçültülmesi ve daha az yer kaplaması yönündeki çabalar, yüksek güç yoğunluğuna sahip elektronik cihazların termal yönetiminde yeni zorluklar ortaya çıkarmaktadır. Özellikle radyo frekansı ve mikrodalga teknolojilerinde, güç yükseltme amacıyla uzay, radar ve otomotiv uygulamalarında yaygın olarak kullanılan yüksek elektron mobiliteli transistorların yüzeylerindeki oldukça yerel ısı kaynakları, cihaz yüzeyinde aşırı yüksek güç yoğunluklarına neden olabilmektedir. Bu nedenle, lokal ısı kaynakları veya sıcak noktalar vasıtası ile açığa çıkan ısıyı etkili bir şekilde yaymak, güç yükselteç amacı gören yüksek elektron mobiliteli transistorların çalışma verimliliğini ve ömrünü artırmak için son derece önemlidir. Bunlara ek olarak, galyum nitrür yarı iletken malzemesi, yüksek elektron mobiliteli transistor cihazlarıyla uyumludur ve oldukça üstün elektriksel ve termal özellikler sağlamaktadır. Ancak, galyum nitrür malzemeli yüksek elektron mobiliteli transistor teknolojisine sahip güç yükselteçler, üst düzeyde elektro-termal performans sağlasalar da bu türdeki elektroniklerin geniş bant aralığında ve tam kapasitede çalışmaları durumunda, oldukça yoğunlaşmış olan ısı atım bölgelerinde, mekanik gerilmeler ve elektron çökmesi gibi birçok nedenden dolayı azalan cihaz güvenilirliği nedeniyle ekstra sorunlar ortaya çıkabilmektedir. Galyum nitrür malzemeli yüksek elektron mobiliteli transistor tabanlı cihazların termal problemlerini aşabilmek amacı ile, on yıllardır önerilen ve geliştirilen farklı aktif soğutma çözümlerinin birçok türü bilimsel literatürde ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Bu bağlamda, mikrokanallı soğutma sistemleri, literatürde çalışılan yonga seviyesinde termal yönetim için en umut verici teknolojilerden biri olarak göze çarpmaktadır. Ayrıca, ısı kaynaklarına yakın olacak şekilde yerleştirilen mikro akışkan soğutma kanallarının kullanımı, yüksek güç tüketen mikro elektroniklerde açığa çıkan konsantre ısıyla başa çıkmada oldukça önemli bir çözüm olarak gösterilmektedir. Fakat, mikrokanalların etkili termal performansına rağmen, küçük hidrolik çaplı kanalların kullanımı önemli basınç düşüşlerine ve dolayısıyla yüksek enerji tüketimine yol açabilmektedir. Ayrıca, soğutma sıvısının kendi içerisindeki karışma kabiliyetini artırmak ve ısı geçişi yüzey alanını artırmak için önerilen karmaşık mikro akışkan ara duvarların ve yapıların entegrasyonu, basınç düşüşünü artırarak, sıvı akışının devam edebilmesi için gerekecek olan pompa gücü için gereken enerjiyi aşırı miktarda arttırabilmektedir. Elektronik cihazların daha kompakt hale getirilmesi amaçlı cihaz boyutlarının daha da küçültülmesi, mikrokanalların ısı kaynaklarına yakın konumlandırılmasının ve mikrokanalların daha etkili soğutma performansı değerlerine ulaşmalarının önünü açmaktadır. Fakat yine de soğutma performansını iyileştirme çabaları, doğru enerji kaynağı yönetimi olmadan ve mikrokanallardaki ısıl performansın korunacak şekilde basınç düşüşünü azaltma amaçlı optimizasyon çalışmaları olmadan önemsiz ve değersiz kalabilir. Bir diğer deyişle, ısı kaynağına oldukça yakın seviyede konumlandırılan mikrokanal yapıları, basınç düşüşü değerleri yeterince optimize edilmezse, enerji kaynaklarının gereksiz yere israf edilmesine neden olabilir. Bu bağlamda, bu tez çalışmasında çeşitli mikro akışkan duvar şekillerine odaklanılmış (düz, dalgalı, hibrit düz-dalgalı, daralan-genişleyen ve genişleyen-daralan), ve bu farklı duvar şekillerindeki mikrokanal yapıları, soğutma ve hidrodinamik performansları açısından karşılaştırılmıştır. Ayrıca, bir önceki cümlede bahsedilen mikrokanal duvar şekillerinin performanslarının değerlendirilmesinin yanı sıra, bu çalışmada mikro pin-fin yapıları ile birleştirilmiş yan duvar çıkıntıları ve mikro akışkan ara duvarlarını içeren gömülü bir dizi mikro akışkan soğutma yapısı önerilmiştir. Önerilen bu yapılar yüksek güç yoğunluğu cihazlardaki yerel olarak gözlemlenen yüksek sıcaklık değerlerini düşürmede önemli ölçüde yardımcı olmaktadır. Bu araştırmada, farklı şekil ve tiplerdeki mikro akışkan yollarının performanslarını değerlendirmenin yanı sıra, önerilen tek ve çift katmanlı mikrokanal yapılarının da karşılaştırılmasından bahsedilmiştir. Çift katmanlı mikrokanallardaki performans karşılaştırması yapılırken, paralel ve karşı akış arasındaki en verimli akış yönünü de belirlenmiştir. Tezde elde edilen bulgulara göre, önerilen hibrit düz-dalgalı ve daralan-genişleyen mikrokanalların, geleneksel düz duvarlı mikrokanallara kıyasla, kapı transistorlarında gözlemlenen maksimum sıcaklık değerlerini etkili bir şekilde azaltabileceğini göstermektedir. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar, yüksek elektron mobiliteli transistor cihazların silisyum taban malzemesine gömülü ve hidrolik çapı son derece küçük olan mikrokanalların, ısıl açıdan önemli çözüm potansiyeli olabileceklerini göstermiştir. Dolayısıyla, bu cihazlara gömülü ve farklı geometrilerdeki mikrokanallı soğutma yapılarında, daha verimli bir termal yönetim ve daha düşük pompa gücü gereksinimi için daha düşük seviyelerdeki basınç düşüşü konuları üzerine optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Bu bağlamda gerçekleştirilen ekstra çalışmaların sonuçlarına göre, düz şekilli mikro akışkan ara duvar yapılarına sahip mikrokanalların, geleneksel düz mikrokanallara göre daha yüksek bir yerel Nusselt sayısı sağladığı ortaya çıkmıştır. Düz ara duvarlı mikrokanallara kıyasla, çiplerin galyum nitrür malzeme teknolojili yüksek elektron mobiliteli transistor cihazların silisyum alt tabakasına gömülen mikro akışkan yapıların ara duvarlarında dalgalı şekildeki mikro akışkan yapıların kullanılmasının, yüksek Reynolds sayılarında, yerel Nusselt sayısında %43'e kadar bir artış sağlayabildiği ortaya çıkmıştır. Bu ara duvarların / akış ayırıcıların incelenmesinin yanı sıra, bu çalışma aynı zamanda mikro pin-fin yapılarının ve yan duvar çıkıntılarının da ısıl ve hidrodinamik etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Bu çalışmadan elde edilen bulgular, elips şekilli mikro pin-fin yapılarının, dairesel ve elmas şekilli pin-fin yapılara kıyasla genel olarak daha iyi performans sergilediğini öne sürmektedir. Ayrıca, daha yüksek akış hızlarında, elips şekilli mikro pin-fin yapılarının kullanımı, basınç düşüşünü önemli ölçüde azaltarak dairesel pin-fin yapılara kıyasla %20'ye kadar pompa gücü ihtiyacını azaltmıştır. Bu denli küçük ölçekteki dairesel pin-fin soğutma yapıları hem ısıl açıdan hem de hidrodinamik açıdan, elips şekilli yapılara göre daha zayıf performans sergilemektedir. Dolayısıyla, gömülü mikrokanallardaki genel etkinliği artırmak için aerodinamik verimliliği daha yüksek pin-fin yapılarının (elips gibi) kullanılması tavsiye edilmektedir. Çalışılan mikro akışkan yapıların termal ve hidrodinamik yönlerinin yanı sıra, sıvı basıncı dolayısıyla oluşabilecek yapısal davranışları da incelenmiştir. Bu bağlamda asıl amaç, yapısal bozulmaya veya kırılmaya uğramaya daha yatkın olan, akış içerisindeki ek mikro yapıların yapısal performansını incelemektir. Bu durumu incelemek için, akışkan-yapı etkileşimi fenomeninden yararlanılmıştır. Bu bağlamda, hidrodinamik ve yapısal davranışları eşzamanlı olarak irdeleyen bir sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Araştırma bulguları, yüksek en-boy oranına sahip olsa bile, elips şekilli pin-fin yapılarının, 200 ila 1000 kanal giriş Reynolds sayısı aralığında mükemmel performans sergilediğini göstermektedir. Bu durumun en önemli sebeplerinden birisi, elips şeklindeki bu yapıların akışkan geçişi açısından aerodinamik özelliğinin yeterli seviyede olmasıdır. Son olarak, mikro akışkan yapılardaki sıcaklık dalgalanmalarının yüksek gerilim ve şekil değişikliklerine sebep olup olmadığını belirleyebilmek amacıyla bir ısıl-yapısal çoklu fizik çalışması yapılmıştır. En kritik durumu irdeleyebilmek açısından, en yüksek sıcaklık artışı ve sonuçta en yüksek termal genleşme sonucu gösteren geleneksel düz mikrokanallar sayısal incelemeye seçildiğinden, yapılan çalışmalar gömülü ve düz mikrokanallı yapılar üzerinden gerçekleştirilmiştir. Çalışmalar sonucunda elde edilen bulgular, incelenen mikro akışkan şekillerin potansiyel termo-mekanik gerilimlere dayanabileceğini göstermektedir. Bu tez çalışması sonucunda önerilen stratejiler ve farklı şekillerdeki geometriler, mikro elektroniklerin ısıl performansını bir üst seviyeye taşıyarak, bu elemanların boyutlarının daha da küçültülmesi ve daha kompakt elektronik yapılar elde edilmesi konusunda değerli bilgiler sağlamaktadır. Bu araştırmada önerilen farklı şekillerdeki mikro akışkan geometrileri ve gömülü mikrokanalların performans incelemesi amaçlı kullanılan teknikler ve yaklaşımlar, cihaz sıcaklıklarını azaltmaya, gömülü mikrokanalların yapısal dayanıklılığını doğrulamaya ve gereğinden fazla enerji tüketimini azaltmaya katkıda bulunacağı öngörülmektedir. Bu tez çalışması sonucunda elde edilen bulgular, yüksek güç yoğunluklu radyo frekansı ve mikrodalga güç yükselteç mikro elektroniklerin, özellikle de galyum nitrür yarı iletken malzemeli yüksek elektron mobilitesine sahip transistorların, alt tabakalarına entegre edilebilecek daha verimli yeni nesil mikro akışkan soğutma sistemlerinin geliştirilmesinde önemli bir değere ve potansiyele sahiptir.

Özet (Çeviri)

The continuous endeavors towards the miniaturization of electronics introduce new challenges in the thermal management of devices with high power density. Especially for high electron mobility transistors (HEMTs), which are widely used in aerospace, radar, and automotive applications for radio frequency (RF) power amplification, highly localized heat sources cause extremely high-power density. Hence, spreading the heat generated by localized heat sources or hotspots in an effective way is of utmost importance to enhance the operational efficiency and lifespan of power amplifier (PA) HEMTs. Furthermore, gallium nitride (GaN) semiconductor material provides outstanding electrical and thermal properties and is compatible with HEMT devices. However, even though GaN HEMT PAs provide outstanding electrothermal performance, wide bandgap and full capacity operations of such electronics cause diminished reliability due to many reasons, such as concentrated heat dissipation, mechanical stress, and electron collapse. To surmount the thermal limitations of GaN HEMT-based devices, a plethora of active cooling solutions have been thoroughly examined and investigated in scholarly literature. One of the most auspicious technologies for thermal management at the chip level is the utilization of microchannel heat sinks. It is evident that embedding the microfluidic cooling channels in the vicinity of the heat sources displays the potential to handle concentrated heat within a confined region in high-power dissipating microelectronics. Notwithstanding the microchannels' effective thermal performance, the employment of small hydraulic diameter channels engenders significant pressure drops and, consequently, energy consumption. In addition, integrating complex microfluidic interior architectures to augment flow mixing and wetted surface area increases the pressure drop, leading to an exorbitant demand for pumping power. Despite the fact that miniaturization enables microchannels to be positioned in close proximity to heat sources, rendering effective cooling performance, such endeavors remain inconsequential and detrimental in the absence of energy source management. This is because the absence of such measures results in a wasteful expenditure of energy sources. In this context, this thesis delves into the benchmarking of cooling and hydrodynamic performance by investigating various microfluidic wall shapes, including straight, wavy, hybrid straight-wavy, converging-diverging and diverging-converging walls. Moreover, along with assessing the performance of diverse microchannel wall shapes, this study suggests a collection of microfluidic cooling structures that are embedded in the die, featuring microfluidic interior walls and micro pin-fins combined with sidewall ribs, to mitigate hotspots in high-power density devices. Aside from evaluating the performance of the microfluidic paths, this research also compares the suggested single-layer and double-layer microchannel configurations. The flow direction is examined in double-layer microchannels to ascertain the most efficient flow direction between the parallel and counter flow. The findings demonstrate that implementing the suggested hybrid and converging-diverging microchannels can effectively decrease the maximum temperatures of gate fingers compared to conventional straight microchannels, without causing a significant increase in pressure drop within the microchannel. Such results indicate the potential of these solutions to address the thermal management and pumping energy consumption challenges in die-embedded microchannels having extremely small hydraulic diameters. Additionally, the findings demonstrate that microchannels with straight microfluidic interior walls exhibit a local Nusselt number that is more than twice as high as that of conventional straight microchannels. In comparison to microchannels featuring straight interior microfluidic walls, the incorporation of microfluidic interior walls with a wavy shape within microfluidic structures embedded in the silicon substrate can potentially yield a local Nusselt number improvement of up to 43% at the elevated Reynolds numbers. In addition to examining wall separators, this study also investigates micro pin-fins and sidewall ribs. The findings suggest that elliptical micro pin-fin structures exhibit better performance compared to circular and diamond-shaped pin-fins. Moreover, at higher flow velocity, the utilization of ellipsoid pin-fins has been shown to significantly reduce pressure drop, thereby reducing pumping power requirement by up to 20%, as compared to circular pin-fins. Consequently, circular pin-fins of this scale exhibit poor performance in both thermal and hydrodynamic aspects. Therefore, it is advisable to employ more streamlined pin-fins in order to enhance the overall effectiveness of embedded microchannels. Alongside examining the thermal and hydrodynamic aspects of microfluidic structures, the structural characteristics of these components are also subject to scrutiny. In this context, the objective is to examine the hydro-mechanical performance of internal microfluidic structures that are susceptible to structural failure. This situation will be accomplished by utilizing the fluid-structure interaction (FSI) phenomenon. The research findings indicate that elliptical pin-fins, even those with higher aspect ratios, display outstanding performance within the Reynolds number range of 200 to 1000. This is attributed to the streamlined ellipsoidal shape of these structures. Finally, an evaluation is conducted to determine if temperature fluctuations result in elevated stress and strain levels on microfluidic devices. Given that conventional straight microchannels exhibit the highest temperature rise and resultant thermal expansion, they are selected for the numerical examination. The findings in this study reveal that the investigated microfluidic shapes can withstand potential thermo-mechanical stresses. The strategies and geometries proposed in this thesis provide valuable insights into the miniaturization of microelectronics. The geometries and techniques recommended in this research contribute to decreasing device temperatures, validating structural durability, and diminishing energy consumption. The results of this study possess the potential to develop more efficient microfluidic cooling systems integrated into the substrate of high-power microelectronics.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    335799

    Katkılı polimerlerin ekstrüzyonu ve koekstrüzyon kalıbı tasarım metodolojisinin geliştirilmesi

    Extrusion of filled polymers and development of coextrusion die design methodology

    OKTAY YILMAZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KADİR KIRKKÖPRÜ

  2. Tez No

    338868

    Investigation of aging (Chronological Life Span) in S. cerevisiae by systems biology approaches

    Mayada (S. cerevisiae) yaşlanma mekanizmasının (Kronolojik Yaşam Süresinin) sistem biyolojisi yaklaşımıyla incelenmesi

    ESRA BÖRKLÜ YÜCEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    BiyomühendislikBoğaziçi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KUTLU ÜLGEN

  3. Tez No

    517725

    Analysis of metal forming by using isogeometric elements

    Metal şekillendirme işlemlerinin izogeometrik elemanlar kullanılarak analizi

    YASİN ÖZDOĞAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALUK DARENDELİLER

  4. Tez No

    183886

    Dişli benzeri parçaların ileri ekstrüzyonunda teorik kuvvet analizi

    Theoretical load analysis of direct extrusion of clover sections

    ÖNDER AYER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2006

    Makine MühendisliğiTrakya Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Y.DOÇ.DR. TAHİR ALTINBALIK

  5. Tez No

    216249

    Sac levhaların şekillendirilebilirliğine etki eden değişkenliklerin incelenmesi

    An analysis of process and modelling parameters in sheet metal formability

    OSMAN HAMDİ METE

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2007

    Makine MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Y.DOÇ.DR. MEHMET FIRAT

Geri Dön