Integrierte Mikrochip-Kühltechnologie
Ob Rechenzentren, Supercomputer oder Laptops: Die große Wärmeentwicklung von Chips und anderen Halbleiterbauteilen ist eines der größten Probleme moderner Elektronikprodukte. Einerseits schränkt es die Leistungsfähigkeit und Strukturdichte von Bauteilen ein. Andererseits verbraucht der Kühlprozess selbst viel Energie, die für Kühlventilatoren 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. Allerdings war die Effizienz aller Methoden in der Vergangenheit 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 herum, was nicht nur die Wärmeableitungswirkung des Chips deutlich verbessert, sondern auch Energie spart und zukünftige elektronische Produkte umweltfreundlicher macht. Die Herstellung dieser integrierten Kühlung ist günstiger als das bisherige Verfahren.
Das Prinzip dieser Lösung besteht darin, dass der Chip nicht von außen, sondern direkt von innen 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 der Wärmequelle und dem Kühlkanal hergestellt wird. Die dreidimensionalen Verzweigungen des Kühlkanals tragen außerdem zur Verteilung des Kühlmittels bei und reduzieren den für die Kühlmittelzirkulation erforderlichen Druck.
Der Vortest des Kühlsystems zeigt, dass es mehr als 1,7 kW Wärme pro Quadratzentimeter abführen kann und nur 0,57 Watt Pumpleistung pro Quadratzentimeter. Dies ist deutlich weniger als die Leistung, die für das externe Ätzen von Kühlkanälen erforderlich ist. „Die beobachtete Kühlleistung übersteigt ein Kilowatt pro Quadratzentimeter, was einer 50-fachen Verbesserung der Effizienz gegenüber der externen Wärmeableitung entspricht“, sagten die Forscher.
Die integrierte Mikrochip-Kühlung hat noch einen weiteren Vorteil: Sie ist günstiger als die extern hinzugefügte Kühleinheit. Da kühlende Mikrokanäle und Chipschaltkreise bei der Produktion direkt in Halbleiter integriert werden können, sind die Herstellungskosten geringer. Dieser intern gekühlte Mikrochip wird zukünftige elektronische Produkte kompakter und energiesparender machen.
