Hoofdcategorieën
Device Settings

Isolatie met lucht kan chips sneller maken

Door Willem de Moor, woensdag 18 augustus 2010 08:44, views: 17.065

Onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om de elektrische verbindingen op pcb's van elkaar te scheiden. Een laag lucht tussen de signaallijnen zou voor een uitstekende isolatie zorgen en hogere snelheden mogelijk kunnen maken.

Lucht als isolator wordt al langer binnen processors toegepast om de interconnects van elkaar te scheiden: het elektrisch geleidend vermogen van lucht is immers bijzonder laag. Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology en Semiconductor Research Corp. hebben samengewerkt om de techniek ook naar pcb's te brengen. Op een printplaat zouden de sporen die de datasignalen overbrengen eveneens met lucht elektrisch geïsoleerd kunnen worden. Dat zou hogere datasnelheden mogelijk maken.

Door de luchtisolatie via een lithografisch proces te incorporeren in het productieproces van de printplaten, kunnen de air gaps ook op pcb's worden geïmplementeerd. Daartoe wordt een laagje polycarbonaat aangebracht op de plaatsen waar de air gaps moeten komen; daarop komen de overige lagen van het pcb. Het polycarbonaat werd door de onderzoekers geschikt gemaakt voor lithografische verwerking en verdampt direct bij verhitting, waarna de luchtbanen overblijven.

Air-gap-lithografie
Volgende 09:11 Gamescom: Dead Space 2 komt op 28 januari uit
Vorige 20:19 Gamescom: Sony kondigt nieuwe PlayStation 3-modellen aan
Advertentie

Reacties

«  1  2  »

Dit lijkt mij tevens ook een hele goedkope oplossing, want lucht is er in overvloed ;)

[edit]

PCB's bevatten toch vaak minime hoeveelheden van hele dure grondstoffen?

[Reactie gewijzigd door xost op woensdag 18 augustus 2010 08:54]


edit: Ik vraag me inderdaad af wat de meerprijs zal zijn, dit zal namelijk in een zeer geconditioneerde ruimte gemaakt moeten worden, misschien zelfs op hetzelfde niveau als semiconductors, gezien er ivm met brandveiligheid, uitval, etc geen vervuiling in de air-gaps mag zitten, en al helemaal geen water. Het EE-Times bericht is duidelijker over hoe het productie process in elkaar zit, de kans op vervuiling en water/vocht in de air-gaps is miniem.

Ook allerbelangrijk: hoe zit het met stevigheid van zo'n printplaat? Als je een normale printplaat niet goed ontwerpt kan hij al snel kromtrekken bij een paar warmte-cyclussen, lucht (of vacuum) tussen de lagen lijkt mij de stevigheid niet echt bevorderen.


Tevens: volgens mij heeft Tweakers niet helemaal begrepen waar het om gaat. Air-gaps in semiconductors zijn geen luchtbubbels, maar vacuumbubbels. (Het EE-Times bericht klopt op dit punt trouwens ook niet, maar heeft wel het doel van air-gaps begrepen):

Het belangrijkste voordeel van vacuum t.o.v. lucht, semiconductor materiaal of FR4, is dat de parasitaire capaciteit van geleiders omlaag gaat, hierdoor heb je 1: minder overspraak (en je raakt hier dus ook geen energie aan kwijt) en 2: je signalen minder worden afgeremd. Vacuum wordt dan ook gezien als de ultieme isolator, niet lucht.

Helaas kan ik geen tweede bron vinden voor het onderzoek, maar ik vermoed dat het doel van de onderzoekers is om vacuum bubbels in PCB's te introduceren, ipv lucht.


De tweede ontdekking, "solderless copper interconnects" is trouwens ook zeer interessant. Hierbij groeien ze een stukje koper tussen de printplaat en het IC, ipv soldeer te gebruiken, hierdoor heb je een volledig ononderbroken koperen geleider van begin naar eind, ook alleen maar positief voor de signaal integriteit. En waarschijnlijk ook nog eens zeer positief voor de levensduur van producten, gezien soldeerverbindingen altijd kritische punten zijn, vooral bij grotere chips i.c.m. warmtecyclussen (al helemaal sinds RoHS).

@JoJo_nl - klopt, draadloze interconnect zijn ook zeer interessant, echter vraag ik me daarvan nog altijd af wat de effecten zijn op EMC, of als je een hoop datakanalen nodig hebt. Tevens is high speed IrDA ook zeer interessant voor chip-chip communicatie.

[Reactie gewijzigd door knirfie244 op woensdag 18 augustus 2010 11:26]


Dat is nu ook al zo. Met miljoenen transistors op bijv een CPU wil je geen enkel vuiltje in de lucht.
Verder zal het ook nog wel meevallen omdat de ruimte waar de lucht in komt eerst gevuld is met polycarbonaat. Dit verdampt pas bij verhitting als de andere lagen aangebracht zijn.

CPU's worden in heel andere omgevingen met onder meer strengere eisen op luchtvervuiling gemaakt dan PCB's. Lees knirfie244's eerste zin.

Beiden in een iso5-cleanroom.

het gaat idd om vacuum gaps en niet om lucht. lucht bevat zuurstof en dat zou alleen maar de printbanen opbranden.
nog nieuwer dan solderless copper interconnect is de draadloze variant. deze maakt gebruik van een draadloze verbinding tussen IC's onderling en garandeerd een kortere signaalweg en minder stroomverbruik. http://www.freepatentsonline.com/6856788.html

Een nieuwe ontwikkeling in isolatie-technologie heeft een type diamant aangewezen als ultieme isolator: straling, dus licht/infrarood aka warmte wordt ook tegengehouden. Alleen is dit wel wat duurder dan lucht. Maar je hebt dan wel nog minder last van warmte :)

http://www.popsci.com/tec...ain-old-vacuum-insulation

Ik vind trouwens dat Tweakers hier een artikel aan mag weiden, met wat meer optimalisatie kun je misschien hoog-energetische straling blokkeren. Perfect voor de ruimtevaart!

Edit @ hieronder:
Kristallen. Sorry. :P

[Reactie gewijzigd door ikt op woensdag 18 augustus 2010 11:40]


offtopic:
De Photonic crystals waarnaar jij verwijst zijn iets heel anders dan diamant.
http://en.wikipedia.org/wiki/Photonic_crystal

Diamant is juist interessant om toe te passen op moederborden omdat het de perfecte hittegeleider is en een hele goede electrische isolator (ook om te vormen tot halfgeleider). Zie onderstaande link voor de thermische geleidbaarheid van verschillende materialen.
http://nl.wikipedia.org/wiki/Thermische_geleidbaarheid

Men is al een tijdje bezig met het ontwikkelen van diamantwafers voor de halfgeleider industrie als vervanger voor silicium in PCB's (printed circuit boards / printplaten). Met name Japan speelt hierin een leidende rol. Op onderstaande links wat meer info.
http://www.pcworld.com/ar...ips_supplant_silicon.html
http://tweakers.net/nieuw...nten-wafers-mogelijk.html


Edit: url's opgeschoond

[Reactie gewijzigd door rolo1234 op woensdag 18 augustus 2010 11:29]


Als het vacuüm is, langs waar gaat die verdampte polycarbonaat dan naar buiten als ze hem verhitten?

Het lijkt mij sterk dat ze een vacuums proberen te maken want dat zou niet echt makkelijk te realiseren zijn omdat het pcb aardig sterk moet zijn om dit te kunnen ondersteunen.
mij lijkt het waarschijnlijker dat het verdampte polycarbonaat als gas als de "lucht" dient, immers het polycarbonaat kan niet zomaar verdwijnen uit deze bubbels en waarschijnlijk zorgt dit gas voor de isolatie die bijzonder hoog schijnt te liggen.

Lucht is gas, ligt er dus maar net aan welk gas/lucht ze nodig hebben en of het beste gaat werken. Goud kan ook in gasvormige fase voorkomen ;)
In de PCB's wordt inderdaad een kleine hoeveelheid goud gebruikt.

Het enige nadeel is dat PCB beter isoleerd tegen overspraak. Als het om lange afstanden gaat dan zal je ook de printbanen moeten twisten om dat tegen te gaan.

Stilstaande lucht is een hele goede isolatie.

Voor warmte en koude. Voor elektriciteit maakt bewegende volgens mij niet veel uit :)

Stilstaande lucht bevat water (en nog veel meer) en dat geleid wel degelijk.
In het 'en nog veel meer' zitten ook zuren (CO en NO bijvoorbeeld), en ook die wil je niet hebben in je PCB.
Maar zoals hierboven ook al staat wordt hier vacuum bedoeld, niet lucht.

Vraag me af of dit geen temperatuurproblemen gaat geven, lucht is namelijk ook best slecht in het doorgeven van warmte.

helemaal mee eens...
ik denk dat ze beter geen lucht moeten gebruiken, maar vacuum!
Volgens mij (weet niet zeker of het klopt) in de omgeving met lucht produceert een microchip inderdaad warme. Maar in de omgeving waar HELEMAAL geen lucht er is... dus vacuum, net als in de ruimte... produceert een microchip geen warmte meer.

Hij produceert nog net zo hard warmte, verandert niks aan. Alleen is het nog moeilijker je warmte kwijt te raken in een vacuum dan in lucht.

Sterker nog, onze zon produceert ook warmte ondanks dat zij zich in een vacuüm bevindt.

Een gloeilamp zit ook in een vacuum, maar produceert wel warmte. Verschil is alleen dat het niet kan branden. Het is dus mogelijk dat je microchip enorm wam wordt, maar niet verbrand...

Dat was zo, maar is niet meer zo. In een gloeilamp zit een (edel)gas.

quote van: http://nl.wikipedia.org/wiki/Gloeilamp
Tot ongeveer 1960 werd de ballon van gloeilampen vacuüm gemaakt. Tegenwoordig wordt de ballon gevuld met een niet-reactief gas zoals stikstof of een edelgas zoals argon of xenon.

Het is dus mogelijk dat je microchip enorm wam wordt, maar niet verbrand...
Je flapt er ook maar wat uit... Als een chip verbrandt wil dat niet zeggen dat ie fikkie doet ofzo... Als in de elektronica iets verbrandt, dan is het gewoon te warm (geworden) waardoor er bijvoorbeeld isolatie smelt (spoelen) of waardoor de thermische uitzetting zo groot is dat het silicium scheurt. Silicium heeft namelijk een grote thermische uitzettingscoëfficiënt. Je kan er ook zo een grote stroom door jagen dat verbinnen baantjes letterlijk smelten en/of verdampen, maar daarvoor moet ie nog altijd niet fikkie doen. Dat gebeurt net zo goed met als zonder zuurstof.

En zoals J__F__K__ al heeft gezegd, in een gloeilamp zit geen vacuum, maar een edelgas.

Dus jij beweert dat als er geen lucht is, dat elektronenstromen geen warmte meer leveren?

Dus in de ruimtevaart moeten de CPU's e.d. niet gekoeld worden?

Dus in de ruimtevaart moeten de CPU's e.d. niet gekoeld worden?
Dat moet'ie wel...

Een x86-processor is dan ook niet erg geschikt voor de ruimtevaart als deze niet zo ontworpen is dat deze praktisch geen warmte dissipeert. Voor ruimtevaart gebruik je dan ook bij voorkeur processors die (vrijwel) geen warmte produceren en toch lekker snel zijn - waarbij ik me overigens wel afvraag in hoeverre er überhaupt van CPU's gebruik gemaakt wordt in de ruimtevaart.

edit:
Blijkbaar wordt een RISC-processor als de PowerPC al gebruikt in de ruimtevaart (in een Mars Rover) en ik kon ook een artikel over een ARM SoC t.b.v. ruimtevaart vinden.

[Reactie gewijzigd door Little Penguin op woensdag 18 augustus 2010 11:11]


De spaceshuttle vliegt op 8086 chips. Niets speciaals dus.

Volgens mij klopt dat niet, de warmte wordt niet geproduceerd door een chemische reactie met de lucht, maar door electrische verliezen in de chip. Lucht wordt alleen gebruikt om de warmte te verplaatsen, in een vacuum zou een chip direct doorbranden.

Wat een kronkelredenering....
Een werkende microchip produceert, ongeacht de omstandigheden waar hij zich bevindt, warmte. In vacuüm, onder water, in een oven, onder je fancy waterkoelertje. Alleen de manieren waarop hij die warmte kwijt kan verschillen. In vacuüm is dat heel lastig, omdat je dan alleen kan stralen. Er is geen convectie of een dergelijke manier van afgeven aan de omgeving. Dat betekent dat je microchip in vacuüm veel heter wordt dan in lucht!

Bij satellieten is koeling dan ook nog niet zo eenvoudig. De ruimte is weliswaar koud, maar je bent afhankelijk van straling én je hebt zodra je uit de schaduw van de aarde bent een behoorlijke zoninstraling die weer voor warmte zorgt.

Bij satellieten is koeling dan ook nog niet zo eenvoudig. De ruimte is weliswaar koud, maar je bent afhankelijk van straling én je hebt zodra je uit de schaduw van de aarde bent een behoorlijke zoninstraling die weer voor warmte zorgt.
ah ik vergat zon... je hebt helemaal gelijk.

[Reactie gewijzigd door Dark Angel 58 op woensdag 18 augustus 2010 09:25]


Als je de zon nu in rekening brengt of niet, dat chippie blijft warmte maken.
Een elementaire basiskennis is toch onontbeerlijk alvorens van die "ik denk maar weet het niet zeker" reacties te plaatsen...

En dat vacuum dan een probleem is, is snel aan te tonen met een thermoskan. De koffie/choco whatever erin zit is warm (hoge temperatuur) en blijft warm (hoge temperatuur) doordat het omzeggens geen warmte (warmtestroom, energie) kan afstaan door het vacuum tussen de binnen- en buitenwand. Het verliest enkel warmte (warmtestroom, energie) via de dop en door straling. Dit laatste is ook minimaal doordat er een reflecterende coating is aangebracht. Een tas koffie koelt zo snel af omdat er een groot conductieoppervlak is (zowel de boven- als de zijkant en eigenlijk ook de onderkant) in combinatie met de convectie van de koffie en de lucht errond.

Als je geen warmtestroom hebt die de boel afkoelt (koeling), maar intern wel een warmtestroom die de boel opwarmt (vermogen dat je chip verstookt), dan zal de temperatuur dus oplopen.

De chip zal warmte blijven produceren, er blijft immers stroom lopen dus wrijving en dus warmte ontstaan. Lucht is een slechte warmtegeleider om dat het de beweging van de moleculen slecht doorgeeft. Een vacuüm geeft helemaal niets door en is dus een ideale isolator, wat betekend dat de boel alleen maar vreselijk heet zal worden...!

Heeft niets met wrijving te maken, gezien wrijving per definitie door bewegende voorwerpen wordt veroorzaakt. Het is een gebrek aan efficiency waardoor niet alle elektriciteit omgezet wordt in prestaties maar in hitte. Net als bij lampen, auto's etc.

De chip zal warmte blijven produceren, er blijft immers stroom lopen dus wrijving en dus warmte ontstaan.
Wrijving is kort door de bocht! Omdat de bewegende elektronen botsen met ionen in de geleider zal er kinetische energie worden overgedragen op de "deeltjes" van de geleider waardoor deze sneller trillen wat represent staat voor een hogere temperatuur. Op dat niveau heb je geen wrijving, daar werkt alles met botsingen, aantrekking en afstoting. Wrijving is een macroscopisch fenomeen.

Ik vraag mij af waar je die wijsheid vandaan hebt. :P. Vacuüm of geen vacuüm, een chip zal warmte creëren. En dan kun je denk ik beter lucht dan een vacuüm hebben, want lucht werkt als een barrière voor de (stralings)warmte.

Het polycarbonaat werd door de onderzoekers geschikt gemaakt voor lithografische verwerking en verdampt direct bij verhitting, waarna de luchtbanen overblijven.


... gebeurt dit niet normaal in een vacuum?

En de druk van een zwaar koelblok op zo'n chipje zorgt dan niet voor kortsluiting tussen banen die 'over elkaar heen' liggen?

Ja dat was ook het eerste wat ik dacht. Als het PCB buigt, en dat hoeft maar een minuscuul beetje te zijn bij dergelijke 'diktes', komen die lagen gewoon lekker tegen elkaar aan.

Straks voor de die hard overklokkers is er een mogelijkheid om je waterkoelingset erop aan te sluiten?

Vind wel leuke methode jammer dat ik geen filmpje vind met hoe dat gebeurd. Het is natuurlijk allemaal klein maar was wel leuk geweest.

Heeft iemand een idee hoe sterk dat spul ongeveer is? Nu kun je namelijk een moederbord nog vrij gewoon vastpakken maar druk je zometeen niet de kanalen dicht?

Straks voor de die hard overklokkers is er een mogelijkheid om je waterkoelingset erop aan te sluiten?
Dat hoop ik niet... het gaat om electrische isolatie, water is daar niet zo heel goed in....

Je hebt water wat geen electriciteit geleid.. Aqua bidest bijvoorbeeld. Al is de geleiding misschien iets teveel.. Denk nieteens zoveel teveel.

RO-water zal geen geleiding meer veroorzaken (volledig clean), maar dat vreet door alle metalen die er maar zijn heen, dus je chip gaat ook zo lang niet meegaan ;)

het gaat om electrische isolatie, water is daar niet zo heel goed in....
Water is een perfecte isolator. Het enige wat kan gebeuren is dat je bij een hogere spanning elektrolyse krijgt.
Het zijn de opgeloste ionen in het water die zorgen voor de geleiding, niet het water zelf.

Een aantal mensen lijken te denken dat het gaat om chips... maar er wordt duidelijk geschreven over PCB's. Die worden helemaal niet warm. Geen problemen daar dus.

Printed Circuit Board kunnen wel degelijk warm worden. Zelfs zo warm dat de printbanen los laten. Beter bekend als het begrip 'dissipatie'.

Normaal hou je daar in het ontwerp al rekening mee. Stof beter gezegd, een dekentje van stof, op de printplaten kan ook funest zijn. De onvermijdelijke dissipatie zeg maar de overtollige warmte kan dan niet worden afgestaan aan de lucht. Menig stukje elektronica is hierdoor defect geraakt door oa oververhitting van de componenten.

Zeker in het voeding gedeelte konden vroeger onderdelen(nu nog maar minder imho), wij noemde dat pis heet worden.
Als je er voorzichtig een natte vinger tegenaan hield. Bijvoorbeeld bij de LM309K hoorde je Pssst ;-))

[Reactie gewijzigd door pentode op woensdag 18 augustus 2010 09:42]


Dat bedoelen ze dus met cutting edge engineeren :p
Op de rand van wat je componenten kunnen hebben.

Het probleem met die printbanen heb je alleen maar bij de vermogenlijnen, bij signaallijnen gaat dit niet zo zeer een probleem zijn. Maar inderdaad, je hebt helemaal gelijk. Zo een dun printbaantje kan toch zoveel stroom voeren doordat de oppervlakte volume ratio zo groot is waardoor veel warmte kan gedumpt worden.

Ah. dus in theorie kan met deze nieuwe techniek de stroomtoevoer voor PEG-sloten verhoogd worden, zodat we (voor een deel) van die achterlijke extra stroomstekkers af zijn :P
«  1  2  »

Op dit item kan niet meer gereageerd worden.

Volgende 09:11 Gamescom: Dead Space 2 komt op 28 januari uit
Vorige 20:19 Gamescom: Sony kondigt nieuwe PlayStation 3-modellen aan
VNU Media logo Hosted by True

© 1998 - 2012 Tweakers.net B.V. - Alle rechten voorbehouden - Contact - Jouw privacy - Algemene Voorwaarden

Uitgever van:

Website van het jaar 2011