Kohlenstoff-Nanoröhrchen helfen bei der Halbleiterchip-Kühlung
Bei einem neuartigen Halbleiterchip-Kontaktierungsverfahren transportieren Kohlenstoff-Nanoröhrchen außer Strom auch Wärme.
Die bei Forschern und Fördermittel-Gebern beliebten Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon Nano-Tubes, CNT) haben viele technisch attraktive Eigenschaften, darunter gute Leitfähigkeit für Strom und Wärme. Die Wärmeleitfähigkeit kann etwa das dreieinhalbfache von Kupfer erreichen. Es bietet sich also an, diese Eigenschaft zur Kühlung von Halbleiterchips zu nutzen. Wegen der immer kleineren Strukturen auf Halbleiter-Bauelementen lassen sich immer mehr Transistoren auf ein Die packen, gleichzeitig klettern die Taktfrequenzen höher – beides zusammen steigert die Abwärme-Produktion gewaltig. Die Wärmeflussdichte auf leistungsfähigen ICs ist deshalb nur schwer in den Griff zu bekommen.
Die Fujitsu Laboratories der japanischen Firma Fujitsu stellen anlässlich der heute beginnenden IEDM-Tagung in Washington ein Verfahren vor, das ein Hochfrequenz-Leistungsverstärker-IC in Flip-Chip-Technik über CNTs mit einer Platine beziehungsweise dem Chip Carrier verbindet. Weil statt metallischer Lotkugeln CNTs zum Einsatz kommen, die die Chip-Abwärme viel besser transportieren, soll das Verfahren die Kühlung des IC verbessern.
Bei der Flip-Chip-Technik liegt der Chip mit seiner Kontakt-(Ober-)Seite nach unten auf dem Chip-Carrier. Diese heute gängige Verbindungstechnik kommt beispielsweise bei x86-Prozessoren zum Einsatz. Auf der Rückseite des Dies sitzt bei diesen ebenfalls sehr kräftigen Abwärme-Produzenten allerdings ein riesiger Kühlkörper samt Lüfter, was aus Platz- oder Kostengründen in vielen anderen Schaltungen nicht möglich ist. Eine Alternative ist die altbewährte Bonding-Technik, bei der der Chip mit der Kontaktseite nach oben auf dem Carrier sitzt, also seine Wärme direkt nach unten über seine ganze Fläche auf den Carrier übertragen kann. Die elektrischen Verbindungen werden dann über Bond-Drähte hergestellt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die Drähte zusätzliche parasitäre Induktivität in die Schaltung bringen, was die erreichbaren Signalfrequenzen senkt. Außerdem lässt sich bei der Flip-Chip-Technik nicht nur der Rand des Chips, sondern seine gesamte Fläche für Kontakte (Pads) nutzen – es sind viel mehr Anschlüsse möglich.
Zur Flip-Chip-Verbindung kann man beispielsweise die C4-Technik verwenden (Controlled Collapse Chip Connection). Den Fujitsu Laboratories ist es nun gelungen, stattdessen Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einer Länge von bis zu 15 Mikrometern auf dem Wafer mit den Halbleiterschaltungen wachsen zu lassen. Dieses Wachstum gelang durch Einsatz eines Eisen-Katalysators. Die zweite wichtige technische Detail-Lösung war laut Fujitsu die Kontaktierung zwischen den CNTs und den Transistor-Elektroden des Chips, die nicht größer als 10 Mikrometer sind.
Es existieren übrigens auch "gröbere" Lösungen zur Chip-Kühlung mit Kohlenstoff: Die Firma GrafTech stellt Heat Spreader und komplette Kühlkörper aus Grafit beziehungsweise dem Grafit-Epoxyd-Verbundwerkstoff eGRAF HS-400 her. Die Kühlkörper sollen in etwa die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer-Konstruktionen erreichen, aber deutlich leichter sein. GrafTech-Heat-Spreader stecken laut Hersteller in dem winzigen Sony-Subnotebook Vaio VGN-X505, um die Abwärme des Prozessors schnell genug auf das kleine Gehäuse zu leiten. (ciw)
