CoolSem wil III-V-chips koeler, krachtiger en duurzamer maken

Wanneer chips hun prestatieplafond bereiken, is dat meestal niet te wijten aan abstracte fysica, maar aan de temperatuur. Zelfopwarming beperkt het uitgangsvermogen, verschuift de werkpunten en verkort de levensduur. Het probleem is vooral acuut bij III-V-halfgeleiders (zoals GaAs, InP en GaN): ze maken razendsnelle snelheden en fotonen op aanvraag mogelijk, maar hun substraten zijn middelmatige warmtegeleiders.

De thermische geleidbaarheid van indiumfosfide en galliumarsenide is vele malen lager dan die van koper, waardoor warmte moeilijk kan ontsnappen, wat de prestaties van fotonica, RF en hoogvermogenelektronica aantast. Het in Eindhoven gevestigde CoolSem Technologies, dat onlangs uit de stealth is gekomen op de High Tech Campus, stelt een ogenschijnlijk eenvoudige oplossing voor: verwijder de thermische bottleneck zelf. De dunne-filmstroom van de start-up moet het III-V-substraat verwijderen en het nu ultradunne apparaat rechtstreeks verbinden met een warmteverspreidende laag of koellichaam, waardoor een kort, efficiënt pad ontstaat van de verbinding naar het koper. Het substraat kan worden hergebruikt en het proces wordt door CoolSem zelf aangeprezen als kosteneffectief en compatibel met gevestigde toeleveringsketens.

CoolSem noemt zijn platform WaLTIS, wat staat voor Wafer-Level Thermal Interface Stack. In een recent artikel van SEMI zegt het bedrijf dat WaLTIS tot 15 keer beter thermisch beheer en 25-55 °C lagere chiptemperaturen kan leveren, waardoor de prestaties en betrouwbaarheid worden verbeterd en het energieverbruik voor koeling met 30-50% wordt verminderd. Als deze voordelen voor alle apparaatklassen gelden, bieden ze nieuwe mogelijkheden voor ontwerpers die gedwongen waren om het vermogen te verlagen om binnen veilige junctietemperaturen te blijven.

De chemische computer: energiezuinige alternatief voor computers

Het prototype, ontwikkeld door een promovendus, bleek energiezuiniger te zijn dan conventionele computers.

Waarom dit nu belangrijk is

Het warmteprobleem neemt toe. In de fotonica zorgen lasers met hoge helderheid en dichte geïntegreerde optica voor meer wattage in kleinere footprints. In RF-vermogen blijven GaN HEMT's de vermogensdichtheid opdrijven; in vermogenselektronica schakelen apparaten met een brede bandkloof sneller en worden ze warmer. III-V-substraten voeren warmte gewoonweg niet goed af, dus de interface tussen het apparaat en het koellichaam is doorslaggevend.

De industrie heeft verschillende oplossingen geprobeerd:

Diamanten warmteverspreiders / GaN-op-diamant. Door chemisch verdampte (CVD) diamant in de buurt van de hotspot te integreren, zijn de piektemperaturen van apparaten in laboratorium- en proefopstellingen met zo'n 25-40% verlaagd en is de RF-vermogensdichtheid verhoogd in vergelijking met GaN-op-SiC. Het werkt, maar de materiaal- en verwerkingskosten blijven hoog en de integratie is niet eenvoudig.
Faseveranderende en gap-filler TIM's. Deze zijn goedkoop en eenvoudig te monteren, maar door hun beperkte thermische geleidbaarheid zijn ze ongeschikt als primaire route voor extreme warmtefluxen.
Microfluïdische en dubbelzijdige vloeistofkoeling. Geweldig voor silicium in datacenters en sommige 3D-IC-stacks, maar complex voor discrete III-V-apparaten en niet geschikt voor typische RF/vermogenspakketten.

CoolSem gokt erop dat het verwijderen van het substraat op waferniveau in combinatie met een stack die is ontworpen voor thermische geleidbaarheid, mechanische ondersteuning, RF-isolatie en CTE-beheer, veel van de voordelen van diamant kan ontsluiten tegen lagere kosten en met een betere produceerbaarheid. Het bedrijf benadrukt ook het hergebruik van dure GaAs/InP-wafers, een belangrijke hefboom voor duurzaamheid en kosten voor fotonica-lijnen.

AI op grote schaal inzetten? ‘Gebruik fotonische chips’

Fotonica kan een cruciale rol spelen bij het energiezuiniger laten draaien van AI.

Wat zit er in WaLTIS (en wat moet het overtreffen)?

Zonder de volledige chemische samenstelling op zijn website bekend te maken, positioneert CoolSem WaLTIS als een thermische interface op waferniveau die directe bevestiging aan standaard koperen koellichamen mogelijk maakt. Dat is belangrijk omdat de geleidbaarheid van koper die van CuMo/CuW, de gebruikelijke ‘veilige’ basismaterialen die worden gebruikt om de thermische uitzetting van de chip te compenseren, ver overtreft – vandaar de belofte van zowel een hoger uitgangsvermogen als lagere kosten. In de literatuur leunen directe bevestigingsstromen doorgaans op gevestigde verbindingsmethoden zoals AuSn-soldeer (gebruikelijk bij laser-die-attach) en Ag-sintering (nu gangbaar in zeer betrouwbare voedingsmodules). Als WaLTIS daar goed mee samenwerkt, daalt het risico van acceptatie.

Er is ook bewijs voor de dunne-filmhypothese van CoolSem: onderzoeksteams hebben aangetoond dat dunne-film VCSEL's of III-V-apparaten die zijn verbonden met hooggeleidende metalen stapels/koperplaten de thermische weerstand verminderen en het piekvermogen verhogen in vergelijking met bulkapparaten op hun eigen substraten. Dat is dezelfde richting die CoolSem inslaat met zijn industrialisering.

Het team achter de claim

Het oprichtende team van CoolSem combineert proces-, operationele en commerciële ervaring uit de deeptech-scene van Eindhoven:

André van Geelen (CEO/CTO) heeft meerdere hightechbedrijven opgericht en opgeschaald en heeft leidinggevende functies bekleed in de halfgeleider- en RF-sector; hij adviseert ook startups via Silicon Catalyst. Die combinatie van diepgaande kennis van III-V en ervaring met het opzetten van bedrijven zal cruciaal zijn nu CoolSem de overstap moet gaan maken van prototype naar productie.
Robbert van der Waal (CSO) gaf eerder leiding aan de bedrijfsontwikkeling en verkoop bij Philips MEMS Foundry (nu XIVER), waar dunne-film- en MEMS-processen op waferniveau aan de orde van de dag zijn. Later trad hij toe tot het management van XIVER, voordat hij naar CoolSem overstapte. Verwacht dat hij WaLTIS zal vertalen naar kwaliteitsplannen en klantroadmaps die apparaatfabrikanten herkennen.
Kees Steenbergen (COO) leidde de activiteiten bij Pharrowtech, een fabless RF-speler in Eindhoven, en bracht een praktische kijk op opbrengst, verpakking en toeleveringsketens mee die een thermische technologie in volume kunnen maken of breken.
Pieter Heersink (CCO) is een ervaren verbinder tussen fotonica en halfgeleiders, met ervaring in bedrijfsontwikkeling (waaronder functies bij SmartNanotubes en regionale innovatie) en een sterk netwerk onder vroege industriële gebruikers. THE ORG+1

Waar op te letten

Onafhankelijke validatie. SEMI-hoogtepunten zijn veelbelovend; de grote vraag is wat de metingen van derden zullen opleveren op benchmarkapparaten zoals InP-lasers, GaAs-vermogensversterkers of GaN-chips, in vergelijking met CuW/CuMo-baselines en diamantspreders.
Verpakkingscompatibiliteit. Als WaLTIS robuust is onder AuSn/Ag-sinterbevestiging en standaard hermetische of overmold-stromen, vermindert dit aanzienlijk de NPI-wrijving.
Economie op systeemniveau. Het verlagen van de junctietemperatuur gaat niet alleen om het verhogen van het wattage; het kan ook leiden tot kleinere koellichamen en ventilatoren, minder koelenergie en een langere levensduur, wat cruciaal is nu datacenters en telecomoperators te maken hebben met stijgende energierekeningen. Diamant bewijst de fysica; CoolSem moet de kosten/prestatie-crossover bewijzen.

Belang van de High Tech Campus

Eindhoven is een geschikt lanceerplatform: de High Tech Campus concentreert expertise op het gebied van dunne film, verpakking, fotonica en MEMS, allemaal ingrediënten voor een thermische stack op waferniveau om zijn eerste believers te vinden. Als de aanpak van CoolSem schaalbaar is, zal het niet alleen hete chips koeler maken, maar ook de balans kunnen doen doorslaan in productlijnen waar het thermische budget bepaalt wat mogelijk is.

Watt Matters in AI

Watt Matters in AI is een conferentie die tot doel heeft het potentieel van AI met aanzienlijk verbeterde energie-efficiëntie te verkennen. In de aanloop naar de conferentie publiceert IO+ een reeks artikelen die de huidige situatie en mogelijke oplossingen beschrijven. Klik op de link om ze allemaal te lezen.

Bekijk Watt Matters in AI

Bronnen voor dit artikel (gelinkt in de tekst): CoolSem-website (probleem/oplossing, team, locatie); referenties voor thermische eigenschappen van GaAs/InP; geleidbaarheid van koper en CuMo/CuW; literatuur over dunne-filmapparaten en koperbevestiging; benchmarks voor diamant/GaN-op-diamant; faseveranderende TIM-eigenschappen; microfluïdische koeling; biografieën van oprichters via Silicon Catalyst, HTCE/XIVER en LinkedIn-berichten.