Imec, das bekannte belgische Forschungszentrum demonstriert ein neues und preiswertes Verfahren zur Kühlung von Chips auf Gehäuse-Ebene. Diese Technik eignet sich sehr gut für die ständig steigenden Kühlungsanforderungen von Hochleistungs-3D-Chips etc.

Leistungsstarke elektronische Systeme haben hohe Anforderungen an die Kühlung der integrierten Halbleiter-Chips. Herkömmliche Lösungen operieren mit diversen passiven (oder gelegentlich auch aktiven) Kühlkörpern, deren Problem gerade auch darin besteht, dass zwischen Chip und Kühler Materialien sich befinden, welche die Wärmeableitung behindern. Eine direkte Kühlung auf der Chip-Rückseite ist effizienter, aber aktuelle Mikrokanal-Lösungen mit direkter Kühlung haben einen Temperaturgradienten über die Chip-Oberfläche zur Folge.

Der ideale Kühler ist daher ein Impingement- bzw. Prallkühler mit verteiltem direktem Kühlmittelaustritt. Dieses Verfahren bringt die Kühlflüssigkeit in direkten Kontakt mit dem Chip und führt die Flüssigkeit senkrecht auf die Chip-Oberfläche. Dadurch wird sichergestellt, dass die Flüssigkeit auf der Chip-Oberfläche überall die gleiche Temperatur hat und die Kontaktzeit zwischen Kühlmittel und Chip reduziert wird. Aktuelle Kühllösungen nach diesem Prinzip haben jedoch den Nachteil, dass sie auf Silizium basieren und damit sehr teuer sind. Bei anderen Alternativen ist der Düsendurchmesser und ihre Anwendung nicht mit den Prozessen der Chip-Verpackung kompatibel.

 
Prinzip der Chip-Direktkühlung. Bild: Imec.
Imec hat einen neuen Impingement-Chip-Kühler entwickelt, der statt auf Silizium auf Kunststoffe setzt, um eine kostengünstige Herstellung zu erreichen. Darüber hinaus verfügt die Imec-Lösung über Düsen von nur 0,3 mm, die durch hochauflösenden Stereolithographie-3D-Druck realisiert werden. Der 3D-Druck ermöglicht eine individuelle Anpassung des Düsendesigns an die Form der Wärmequelle und erlaubt die Herstellung komplexer Innenstrukturen. Darüber hinaus ermöglicht dies den effizienten Druck der gesamten Struktur in einem Prozess, wodurch Produktionskosten und -zeit reduziert werden.

Der neue Imec-Chip-Kühler sieht fast aus wie ein per 3D-Druck hergestellter Duschkopf, der die Kühlflüssigkeit aus vielen feinen Düsen direkt auf den nackten Chip spritzt. Durch Verbesserungen bei der Auflösung eignet sich der 3D-Druck nun auch für die Realisierung von mikrofluidischen Systemen wie solchen Chip-Kühlern. Der Imec-Kühler erreicht eine hohe Kühleffizienz mit einer Temperaturerhöhung von weniger als 15 °C bei 100 W/cm² unter einem Kühlmitteldurchsatz von 1 l/min. Darüber hinaus ist der Druckabfall der Kühllösung mit bis zu 0,3 bar recht gering. Die Performance übertrifft herkömmliche Kühllösungen bei weitem, da dort schon die Grenzflächenmaterialien bereits einen Temperaturanstieg von 20 bis 50 °C bewirken. Neben dem hohen Wirkungsgrad und der kostengünstigen Fertigung ist die Imec-Kühllösung zudem auch noch wesentlich kleiner, da sie im Grunde dem Platzbedarf des Chip-Gehäuses entspricht.