IBM Forscher erzielen neuen Durchbruch bei der Chipkühlung

Bild: IBM Deutschland GmbH

Die Geheimnisse des "magischen Kreuzes" für höhere Leistung. IBM Forscher haben auf der IEEE Semi-Therm-Konferenz Details eines neuen Verfahrens vorgestellt, das die Fähigkeit, Computerchips zu kühlen, signifikant erhöhen kann.

Bild: IBM Deutschland GmbH

Die Technik wurde von einem Wissenschaftlerteam im IBM Zürich Forschungslabor in Kooperation mit Momentive Performance Materials, ehemals GE Advanced Materials, entwickelt und 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 mehr und mehr Hitze erzeugt, da die Leiterbahnen immer kleiner 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 Hitze-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 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 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 Verdickungen, während der Aufbringungsprozeß geschieht - und damit bildet sich das "magische Kreuz".

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 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 niederzupressen, 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 Chippackage 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 und hilft, die Energieeffizienz von Computern weiter zu verbessern.

Um die Technik weiter in echten Kühlsystemen zu optimieren und ihre Machbarkeit zu demonstrieren, hat das IBM Team mit dem Kleberhersteller Momentive Performance Materials, Wilton, CT, USA, zusammengearbeitet. Zusammen mit anderen Industrieanbietern werden Werkzeuge entwickelt, um die Oberflächenkanäle im gleichen Kupferprägeprozess, der gegenwärtig für die Herstellung von Serienchipformen eingesetzt wird, zu definieren. Diese Entwicklungsarbeit wurde im Papier "Hierarchical Nested Surface Channels for Reduced Particle Stacking and Low-Resistance Thermal Interfaces" von R. J. Linderman, T. Brunschwiler, U. Kloter, H. Toy, B. Michel, Proc. 23rd IEEE SEMI-THERM Symp., 2007, vorgestellt.

Quelle: Pressemitteilung IBM Deutschland GmbH