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News: Einen kühlen Chip bewahren

In einigen Jahren könnte ein Mikrochip von der Größe eines Groschens bis zu zehn Millionen Transitoren beherbergen. Doch schon heute sorgt der elektrische Widerstand dafür, daß all die vielen hin und her flitzenden Elektronen in den Schaltkreisen die Chips heiß werden lassen - unheimlich heiß.
Die Überhitzung stellt ein echtes Problem für die Hersteller und Besitzer von Computern und anderen Mikroprozessor-gesteuerten elektronischen Geräten dar. Heiße Chips und Leiterplatten versagen eher, da ihre winzigen Verbindungen den Unbilden ständig wechselnder Aufheizung und Abkühlung ausgeliefert sind. Noch schädlicher sind Temperaturunterschiede und -gefälle innerhalb eines Bauteils. Sie können kleine Brüche und Spannungszonen im empfindlichen Leiterbereich verursachen. Die Wissenschaftler der Sandia National Laboratories glauben, diese Probleme mit einem neuen Kühlmittel bewältigen zu können, das die Mikrochips und Leiterplatten in der Nähe ihres Temperaturoptimums hält.

Traditionel ähnelt das Substrat der Chips Fiberglas-Epoxiden, die mit Kupferverbindungsstücken versetzt sind, um die Hitze in das Trägersubstrat und weg vom Chip zu leiten. Andere Verfahren arbeiten mit Hitzeverteilern aus gediegenem Kupfer oder anderen Stoffen innerhalb des Substrats. In der jüngeren Vergangenheit wurden Grundstoffe aus hochleitendem Diamant oder mit einer Diamantummantelung entwickelt. Wegen der hohen Kosten werden sie jedoch nur selten genutzt. David Benson von Sandia meint, daß einfache Wärmeableitung mit den verfügbaren Materialien sowieso nicht ausreicht, wenn die Chips richtig heißlaufen.

Bei der Herstellung einiger spezieller Geräte haben die Firmen versucht, die Hitze durch kleine röhrenförmige Wärmeleitungen zu verteilen. Diese nehmen einen Teil der Wärme an den heißesten Schaltkreisen auf und geben sie an andere Bauteilen und Strukturen wieder ab, so zum Beispiel an die äußeren Oberflächen der Leiterplatte. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit der Verbindungsstellen von Hitzeröhrchen und Grundmaterial mindert allerdings den Erfolg des Aufbaus.

In dem neuen Verfahren von Sandia sind die Mikro-Hitze-Röhrchen gleich in das Substrat eingebaut. Im Verlaufe eines wiederholten Photolithographie-Prozesses werden fünf bis 50 Mikrometer breite Rillen in die Oberflächen von zwei Metallplatten gebracht. Die beiden Muster verhalten sich dabei wie Bild und Spiegelbild. Werden die Platten aufeinandergelegt, bleiben winzige Gänge zwischen ihnen frei, ähnlich den Hohlräumen zwischen den beiden Teilen eines Waffeleisens. Die Platten werden dann fest miteinander verbunden. Das Ergebnis ist ein Metallblättchen von rund einem Millimeter Dicke, in dessen Innerem ein verbundenes System von Mikrometer großen Korridoren verläuft.

40 000 Bauteile konnten auf einem Quadratzentimeter des Substrats untergebracht werden. In das Hohlraumsystem gaben die Forscher eine winzige Menge einer Kühlflüssigkeit. Wenn die Hitze einiger Bauteile diese Flüssigkeit verdampfen ließ, wanderten die Moleküle zu kühleren Stellen, an denen sie wieder kondensierten. Durch die Kapillarkräfte wurde ständig Kühlmittel zu den heißen Stellen nachgeführt, wodurch der kleine Kreislauf geschlossen war und die Wärmeenergie gleichmäßig verteilt wurde.

Die Geometrie der Mikrogänge und das Kühlmittel können an die jeweiligen Bedingungen angepaßt werden. In den bisherigen Labortests reduzierte das System die Temperaturerhöhung auf die Hälfte gegenüber herkömmlichen Methoden. Die Hitze wurde außerdem gleichförmiger verteilt und es entstanden keine sogenannten "hot spots", die ansonsten den Chip zerstören könnten. Die benutzte Eisen-Nickel-Legierung der Prototypen verband sich gut mit den Silicium-Chips, doch nach Bensons Aussage sind viele Materialien als Substrat denkbar.

"Das Ausmaß des Kapillardrucks in den Röhren hängt von deren Durchmesser ab", erläutert Benson. "Wenn die Strukturen kleiner werden, entsteht mehr Pumpleistung innerhalb des Substrats. Es ist wie ein Wetter-Mikrokosmos unter dem Chip." Das Hohlkammersystem gehört zu den "passiven" Bauelementen, es benötigt also weder Pumpen noch andere mechanische Unterstützung. Das verwandte Substrat ist erstaunlich langlebig, kann in verschiedenen Formen und Größen produziert werden und – das wichtigste – ist billig und einfach herzustellen.

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