Isolatie met lucht kan chips sneller maken

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.

Reacties (61)

[joopv]

Er zijn 2 redenen waarom printbanen (of geleiders in het algemeen) beter omgeven kunnen zijn door zoveel mogelijk lucht (of vacuum, dat maakt eigenlijk niets uit) dan dat ze direcht op de print liggen.

Die redenen hebben te maken met het transport van zeer hoogfrekwente signalen over de printbanen en zijn:

1 - dielectrische verliezen
2 - verkortingsfactor

1: De isolatie rond een geleider (printbaan) zorgt voor demping van het elektrische signaal wat door die geleider gaat. Zie diverse links bij http://www.google.com/search?hl=en&q=dielectric+loss. Hoe hoger de frekwentie, hoe hoger de demping per meter.

2: de snelheid van een elektrisch signaal door een geleider is afhankelijk van de isolator er omheen. Zie http://en.wikipedia.org/wiki/Wave_propagation_speed
Bij sommige materialen kan daardoor de snelheid van signalen door een koperen geleider tot een factor 10 lager zijn dan de lichtsnelheid.

In beide gevallen is lucht beter dan printmateriaal. Dit proces geeft dus een verbetering van de hoogfrekwent eigenschappen van de printbanen op de print.

En aangezien de frekwenties steeds maar hoger worden - tot ver in het GHz gebied - is dit erg belangrijk.

=============
Illustratie: kijk eens goed naar het materiaal wat in de coax kabel zit (tussen de middenader en de afscherming) waarmee je kabelmodem of TV is aangesloten. Bij moderne kabels is dat zogenaamd "geschuimd polyetheen", Oftewel een kunststof die met speciale technieken heel veel bolletjes lucht bevat. Dat is gedaan om de demping te verminderen op hoge frekwenties (100 MHz en hoger).

[Reactie gewijzigd door joopv op 24 juli 2024 13:51]

[WoBBeL]

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 WoBBeL op 24 juli 2024 13:51]

[knirfie244]

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 24 juli 2024 13:51]

[jip_86]

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.

[Teun_2]

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

[Verwijderd]

Beiden in een iso5-cleanroom.

[JoJo_nl]

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

[m1dnigh7]

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

[haoz]

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.

[ikt]

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.

[Reactie gewijzigd door ikt op 24 juli 2024 13:51]

[roelof.zijlstra]

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 roelof.zijlstra op 24 juli 2024 13:51]

[madmaxnl]

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.

[Vizzie]

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

[Dark Angel 58]

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.

[Eppo ©]

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...

[J__F__K__]

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.

[High-Voltage2]

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.

[Verwijderd]

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...!

[Verwijderd]

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.

[High-Voltage2]

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.

[Sissors]

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.

[TLer]

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

[Hipska]

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?

[Little Penguin]

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 24 juli 2024 13:51]

[humbug]

De spaceshuttle vliegt op 8086 chips. Niets speciaals dus.

[ATS]

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.

[Dark Angel 58]

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 24 juli 2024 13:51]

[High-Voltage2]

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.

[BRAINLESS01]

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.

[Naj_Geetsrev]

Ik vraag mij af waar je die wijsheid vandaan hebt. . 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.

[Doneltac]

Zou deze techniek niet gecombineerd kunnen worden met actieve luchtkoeling? Dan kun je PCB's actief intern koelen waardoor dissipatie ook minder wordt. Het zijn natuurlijk microruimtes, maar toch moet het mogelijk zijn om daar een airflow in te creeeren.

[Cave_Boy]

Ik snap je idee alleen hoe doe je dit met stof? Je moet wel een heel erg fijn filter ervoor hebben dan. Je wilt niet dat stof erin komt omdat dat juist veel geleiden kan.

[.phoz]

Met deze techniek wordt de conventionele isolator vervangen door een gesloten holte. Stof, lucht ed kan er niet aan.

Hoogstwaarschijnlijk is de holte vacuum.

@b93art

Bros zal de printplaat niet worden, het effect van die holte zal nauwelijks macroscopisch merkbaar zijn.

[Reactie gewijzigd door .phoz op 24 juli 2024 13:51]

[High-Voltage2]

Dan kun je PCB's actief intern koelen waardoor dissipatie ook minder wordt.

Heren heren... Definities! Dissipatie verandert niet als je de koeling aanpast (tenzij je sterk thermoresistieve eigenschappen hebt in je materiaal). De temperatuur zal lager blijven omdat je meer warmte afvoert terwijl de hoeveelheid aangevoerde warmte (dissipatie) gelijk blijft. Het verschil tussen deze warmtestromen bepaalt de temperatuurstijging. Naarmate de temperatuur stijgt neemt de uitgaande warmtestroom (koeling) toe (logisch) waardoor deze uiteindelijk gelijk wordt aan de inkomende warmtestroom (dissipatie) waardoor de temp constant blijft.

[GerritGekke]

Stilstaande lucht is een hele goede isolatie.

[RielN]

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

[Verwijderd]

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.

[Cave_Boy]

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?

[Croga]

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....

[Cave_Boy]

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

[Verwijderd]

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

[High-Voltage2]

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.

[BèR]

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

[Buggle]

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.

[kiang]

Gaat dit niet voor overhitting zorgen? ik weet dat je kleine luchtbellen in je koelpasta tussen je CPU en je koeler ten allen koste moet vermijden omdat die erg snel erg heet worden...

[Little Penguin]

De gekozen titel is een beetje misleidend, als ik het bronartikel lees dan gaat het om een aanpassing aan de PCB (Printed circuit board) en niet om aanpassingen aan chips (bijvoorbeeld een CPU of GPU) zelf. Verder wordt hierboven ook al aangegeven dat het niet om lucht-gaten gaat, maar juist om vacuum omdat lucht nog steeds enigszins kan geleiden.

Deze techniek kan een katalysator zijn om chips sneller te kunnen maken, maar is dan slechts een hulpmiddel. Aan een snellere chip heb je minder als je de communicatie tussen de chips niet kunt versnellen en uit het (bron-)artikel lees ik dat deze techniek daar juist voor kan zorgen.

[Clavius]

Waarom heet het artikel 'isolatie met lucht kan chips sneller maken' terwijl het over pcb's gaat?

[Verwijderd]

Omdat chips moeten wachten op de bus daarbuiten. Die bus loopt over het PCB, dus het PCB is meestal de bottleneck. Als het PCB door deze techniek hogere snelheden kan halen, kunnen de chips ook weer sneller/efficiënter hun werk doen. Het draait uiteindelijk om de chips, omdat die het 'echte werk' doen (processing/controlling etc.), en dat is waar het artikel op doelt.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 24 juli 2024 13:51]

[DukeBox]

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.