Kühler dank Baumstrukturen

Die Hitzeentwicklung aktueller Computerprozessoren ist eines der grossen Probleme, wenn es um die Leistungssteigerung der Halbleiter geht. Denn die Prozessoren, die teilweise über 100 Watt auf der Fläche eines Daumennagels abgeben, sind nicht nur immer schwieriger zu kühlen. Ihnen macht auch die mangelhafte Ableitung der Wärme vom Prozessor hin zum Kühlelement zu schaffen.

Ursache ist eine Art Leim respektive Wärmeleitpaste, die zwischen dem Silizium und dem darüber liegenden Heat Spreader zum Einsatz kommt, um diese zu verbinden. Diese leitet Wärme nur schlecht, selbst wenn sie mit Materialien wie Metall oder Keramik versetzt ist, um die Leitfähigkeit zu verbessern. So reduzieren sie die zur Verfügung stehende Kühlleistung um bis zu 40 Prozent.

Das IBM-Forschungslabor in Rüschlikon will nun einen Weg gefunden haben, um diesen Verlust einzudämmen. Dessen Ursache liegt nämlich in den Fliesseigenschaften der Paste. Wenn der Heat Spreader auf die Paste gepresst wird, verteilt diese sich nicht gleichmässig, sondern bildet entlang der Diagonalen einen freien Raum, da sich dort aufgrund des Drucks die Partikel in der Paste stapeln und es ihr so unmöglich machen, sich gleichmässig auszubreiten. Dies verringert die Fläche zur Wärmeabgabe und sorgt für eine dickere Schicht.

Die Lösung der Forscher ist nun eine Art System aus mikroskopischen Kanälen, das in seiner Struktur dem Aufbau eines Baums gleicht und an der Unterseite des Heat Spreaders aufgebracht wird. Dieses System verhindert, wenn es auf die Paste gepresst wird, dass sich die Anhäufungen der Partikel bilden, und sorgt gleichzeitig dafür, dass die Paste sich gleichmässiger verteilt. Dadurch kann die Dicke der Paste und der Druck, der auf den Heat Spreader ausgeübt werden muss, um die Paste zu verteilen, um den Faktor 3 verringert werden. Zudem können so Pasten mit einer höheren Fülldichte und damit besseren Leitfähigkeit eingesetzt werden, was die thermische Effizienz der Kühlung weiter verbessert.