Forscher untersuchen die thermische Stabilisierung in photonischen Paketen

Die Photonik bietet verschiedene Vorteile, darunter die Ermöglichung einer Hochgeschwindigkeits- und verlustarmen Kommunikation durch die Nutzung von Lichteigenschaften in der optischen Datenkommunikation, biomedizinischen Anwendungen, Automobiltechnik und Bereichen der künstlichen Intelligenz. Diese Vorteile werden durch komplexe photonische Schaltkreise realisiert, die aus verschiedenen photonischen Elementen bestehen, die auf einem photonischen Chip integriert sind.

Anschließend werden elektronische Chips hinzugefügt, um die photonischen Chips für bestimmte Funktionen wie Lichtquellenbetrieb, Modulation und Verstärkung zu ergänzen. Die enge Integration elektronischer und photonischer Chips auf einem Substrat ist ein entscheidender Aspekt des photonischen Packaging.

Photonische Verpackungen spielen eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung des effektiven Betriebs elektronischer und photonischer Chips in elektrischen, optischen, mechanischen und thermischen Bereichen. Ein effizientes Wärmemanagement ist bei kompakten Gehäusen von entscheidender Bedeutung, bei denen thermisches Übersprechen zwischen elektronischen und photonischen Chips sowie Schwankungen der Umgebungstemperatur die Leistung photonischer Chips negativ beeinflussen können.

Glassubstrate, die häufig als Co-Packaging-Plattform für elektronische und photonische Chips diskutiert werden, sind hier von entscheidender Bedeutung, da sie Vorteile wie einen kompakten Formfaktor, geringe elektrische Verluste und eine herstellbare Plattform auf Panel-Ebene bieten. Darüber hinaus weisen Glassubstrate eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, was eine minimale seitliche Wärmeausbreitung zwischen elektronischen und photonischen Chips ermöglicht.

Der Einbau von Through Glass Vias (TGVs) in Glassubstrate ermöglicht eine effektive Wärmeableitung von elektronischen Chips. Eine weitere Strategie für das Wärmemanagement besteht darin, mikrothermoelektrische Kühler (Micro-TECs) auf der Unterseite eines Chips zu integrieren und so eine aktive Temperaturkontrolle zu ermöglichen.

In neue Forschung veröffentlicht in der Zeitschrift für optische Mikrosystemewird eine Kombination aus TGVs und Mikro-TEC-Technologien mit der Bezeichnung „Substrat-integrierte mikro-thermoelektrische Kühler (SimTEC)“ eingeführt.

Bei SimTEC handelt es sich um TGVs, die teilweise mit Kupfer und thermoelektrischen Materialien gefüllt sind und die thermische Stabilisierung der photonischen und elektronischen Chips im Paket gewährleisten. Diese neuartige Technik ergänzt Kühlansätze auf Systemebene. Die Forscherin Parnika Gupta und Kollegen vom University College Cork, Irland, untersuchten den Einfluss von Glassubstraten auf die thermische Leistung segmentierter Vias und verglichen sie mit der der freistehenden Micro-TEC-Säulen. Sie analysierten den Einfluss von Via-Durchmesser, Höhe, Steigung und Füllfaktor auf die Kühlleistung von SimTEC.

Insbesondere sorgt die Technologie für eine präzise thermische Kontrolle im Gehäuse und verringert den thermischen Widerstand zwischen der TEC-Oberfläche und der Chip-Schnittstelle, wenn Chips per Flip-Chip-Bonden auf dem Glassubstrat befestigt werden. Simulationen mit Versuchsplanung (DOE) deuten auf eine maximale Abkühlung von 9,3 K bzw. einen Temperaturstabilisierungsbereich von 18,6 K hin.

Die Studie verdeutlichte außerdem eine sechsmal größere Schwankung der Kühlleistung bei der Variation der Via-Geometrie im Vergleich zur Kühlleistungsschwankung des freistehenden micro-TEC-Einkopplers. Die Optimierung thermoelektrischer Materialeigenschaften birgt das Potenzial, die Leistung zukünftiger SimTEC-integrierter Architekturen zu verbessern.