IBM proklamiert Durchbruch bei der Chipkühlung

Die Technik wurde von einem Wissenschaftlerteam im Züricher Forschungslabor von Big Blue und in Kooperation mit Momentive Performance Materials (ehemals GE Advanced Materials) entwickelt. Das Verfahren überwindet eine Barriere in der Chipkühlung durch eine Verbesserung in der Anwendung des “Klebers”, der Chips an ihre Kühlsysteme anbindet. Die neue Technik könnte es erlauben, schnellere Computerchips effizienter zu kühlen.

In heutigen Chips wird immer mehr Hitze erzeugt, da die Leiterbahnen immer schmaler werden. Um die Hitze vom Chip abzuführen, wird ein Kühlsystem am Mikroprozessor mit einem speziellen Kleber angebracht. Der Kleber ist nötig, um beide Systeme zu verbinden, schafft aber eine Barriere im Hitzeabtransport.

Um die wärmespezifischen Leiteigenschaften des Klebers zu verbessern, wird er mit Metal- oder Keramikpartikeln in Mikrometergröße angereichert. Diese Partikel bilden Cluster und “Hitzeabführungsbrücken” vom Chip zum Kühler, um die Einschränkungen des Klebers zu minimieren. Dennoch bleiben auch stark partikelgefüllte Klebepasten eher ineffizient, da sie bis zu 40 Prozent der Kühlkapazität selbst aufbrauchen.

IBM-Forscher haben nun die Ursachen erkundet und eine neue Verfahrenstechnik vorgestellt, um das Problem zu lösen. In der Beobachtung, wie der Kleber sich bei der Aufbringung des Chips auf das Kühlelement ausbreitet, haben die Wissenschaftler festgestellt, dass sich eine kreuzartige Form bildet, in der sich große Mengen von Partikeln ansammeln und damit die Ausbreitung der Klebeschicht auf die gesamte Oberfläche behindern.

Die Wissenschaftler konnten die Ursache dieses Fließverhaltens der Klebepaste aufklären, die dem Weg geringsten Widerstandes folgt. Entlang der Diagonalen werden die Partikel in entgegengesetzte Richtungen gezogen und bewegen sich daher gar nicht. Daher gibt es an einigen Stellen während des Auftragens Verdickungen – was die Bildung des “magischeen Kreuzes” zur Folge hat.

Um dieses Problem zu lösen, hat das Team ein spezielles Layout an Mikrometer-großen Kanälen in einer baumartig verzweigten Struktur entworfen, das aus größeren und kleineren Kanälen besteht, und wie ein Verteilungssystem für die Klebepaste genau an den Stellen fungiert, wo die Partikel normalerweise stocken würden. Das ermöglicht den Partikeln, sich homogener zu verteilen und reduziert die Dicke der verbleibenden Kleberlücke.

Die erreichten Ergebnisse sind nach Aussage von IBM beeindruckend: Die Dicke der Kleberpaste konnte um den Faktor drei reduziert werden, und der Druck, der benötigt wird, um die Paste auf die gleiche Dicke nieder zu pressen, konnte um einen ähnlichen Faktor reduziert werden. Diese niedrigeren Montagedrücke erlauben es, dass die empfindlichen Komponenten und Verbindungen unterhalb des Chips nicht beschädigt werden, wenn das Chip-Gehäuse erzeugt wird.

Die Kanäle ermöglichen darüber hinaus Klebepasten mit einem höheren Partikel-Füllfaktor und höherer thermaler Leitfähigkeit. Diese können zu dünneren Klebeschichten gepresst werden und reduzieren dadurch den Wärmeleitwiderstand der Klebeschicht beträchtlich um mehr als den Faktor drei. Die neue Technik erlaubt Luftkühlsystemen, mehr Hitze abzutransportieren.