Integriertes Mikrochip-Kühlsystem
Ob Rechenzentrum, Supercomputer oder Laptop: Die große Wärmeentwicklung von Chips und anderen Halbleiterbauteilen ist eines der größten Probleme moderner Elektronikprodukte. Einerseits limitiert es die Leistungsfähigkeit und Baudichte von Bauteilen. Andererseits verbraucht der Kühlprozess selbst viel Energie, die für Kühlgebläse oder Flüssigkeitskühlpumpen verwendet wird.
Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler Möglichkeiten untersucht, die Effizienz der Wärmeübertragung vom Chip zum Kühlmittel zu verbessern. Als Kontaktfläche zwischen Kühlsystem und Chip wird beispielsweise ein Metall mit besserer Wärmeleitfähigkeit verwendet. Die Effizienz aller Verfahren in der Vergangenheit war jedoch nicht sehr hoch, und mit der Verbesserung der Wärmeableitungseffizienz steigen auch die Komplexität und die Herstellungskosten des Wärmeableitungssystems exponentiell an.
Jetzt haben Schweizer Forscher endlich einen besseren Weg gefunden, einen Chip zu erfinden, der keine externe Kühlung benötigt. Die im Halbleiter integrierten Mikrotubuli bringen die Kühlflüssigkeit direkt um den Transistor, was nicht nur die Wärmeableitungswirkung des Chips stark verbessert, sondern auch Energie spart und zukünftige Elektronikprodukte umweltfreundlicher macht. Die Herstellung dieser integrierten Kühlung ist kostengünstiger als das bisherige Verfahren.
Das Prinzip dieser Lösung besteht darin, dass der Chip nicht von außen, sondern direkt im Inneren des Chips gekühlt wird. Das Kühlmittel durchströmt die im Halbleitermaterial integrierten Mikrotubuli von unten, wodurch die vom Transistor als Wärmequelle erzeugte Wärme direkt abgeführt wird. Der Mikrokanal steht in direktem Kontakt mit den Transistoren im Chip, wodurch eine bessere Verbindung zwischen Wärmequelle und Kühlkanal hergestellt wird. Auch die dreidimensionalen Verzweigungen des Kühlkanals tragen zur Kühlmittelverteilung bei und reduzieren den für die Kühlmittelzirkulation erforderlichen Druck.
Der vorläufige Test des Kühlsystems zeigt, dass es mehr als 1,7 kW Wärme pro Quadratzentimeter und nur 0,57 Watt Pumpleistung pro Quadratzentimeter abführen kann. Dies ist deutlich weniger als die für externe Ätzkühlkanäle benötigte Leistung. „Die beobachtete Kühlleistung übersteigt ein Kilowatt pro Quadratzentimeter, was einer 50-fachen Effizienzsteigerung gegenüber externer Wärmeableitung entspricht“, sagten die Forscher.
Die integrierte Mikrochipkühlung hat noch einen weiteren Vorteil: Sie ist günstiger als die extern hinzugefügte Kühleinheit. Da Mikrokanal- und Chipschaltkreise zur Kühlung direkt in die Halbleiter in der Produktion eingebracht werden können, sind die Herstellungskosten niedriger. Dieser intern gekühlte Mikrochip wird zukünftige elektronische Produkte kompakter und energiesparender machen.
