Biomimetik Mikroporöses Wärmeableitmaterial

Bild 2: Großaufnahme der Struktur von »VersarienCu«
Bild 2: Großaufnahme der Struktur von »VersarienCu«

Unternehmen statten ihre elektronischen Produkte mit immer mehr Eigenschaften und Funktionen aus. Gleichzeitig schrumpfen deren physikalische Dimensionen ständig. Die Wärme aus dem Herz dieser Systeme - der CPU - abzuführen wird daher zu einer immer größeren Herausforderung. Da kann die Biomimetik helfen.

Da jede neue Generation von Mikroprozessorchips immer kleinere Gehäuseformate nutzt und gleichzeitig immer mehr Transistoren beherbergt, steigt die erzeugte Wärmemenge stetig. Dies ist eine potenzielle Gefahr für die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Systems. Daher sieht sich die Elektronikindustrie mit dem Problem konfrontiert, effektivere Methoden zu finden, mit der in ihren Designs entstehenden Wärme umzugehen.

Konventionelle Lösungen mit Kühlkörpern scheinen dazu nicht länger geeignet, weil sie nicht die notwendige hohe thermische Leistungs-fähigkeit besitzen. Zudem sind sie in vielen Fällen zu voluminös, um in Systeme mit eingeschränkten Platzverhältnissen eingebaut zu werden. Neue Produkte für das thermische Management müssen möglichst viel Wärme abführen können, gleichzeitig aber auch robust sein und sich preiswert implementieren lassen.

In der letzten Dekade haben Forscher mikroporöse metallische Materialien intensiv untersucht, da sie Strukturen mit sehr großen Oberflächen emulieren. Anregungen fanden sie sowohl in der Physiologie der Pflanzen als auch der Tiere, denn auch dort besteht die Notwendigkeit, die verfügbaren Oberflächen zu maximieren. So können die unterschiedlichen biochemischen Prozesse mit der höchsten Effizienz ablaufen.

Schwämme und Korallen nutzen zum Beispiel ihre poröse physikalische Form, um sicherzustellen, dass sie auch genügend Nahrung aus der Umgebung aufnehmen können. Knochen von Tieren und Menschen besitzen ebenfalls eine poröse Struktur, sodass sie einerseits sehr leicht, andererseits mechanisch sehr stabil sind. Die hauptsächliche Hürde beim Einsatz mikroporöser metallischer Strukturen bestand bislang darin, ihren Fertigungsprozess so einfach und preisgünstig zu machen, dass sie sich kommerziell rechnen.

Vor einigen Jahren begannen deshalb Mitglieder des Department of Engineering der Universität Liver-pool (England) zu untersuchen, wie dieses Problem gelöst werden könnte. Sie entwickelten den »LCS«-Prozess (Lost Carbonate Sintering), mit dem sich ein Kupfer-Basismaterial mit einer homogenen Verteilung durchgehender, mikrofeiner offener Zellporen kosteneffizient herstellen lässt.

Der Fertigungsprozess

Der LCS-Prozess hat vier wesentliche Produktionsschritte (Bild 1):

  • Die Kupferpartikel werden mit nichtmetallischen Partikeln vermischt. Das Verhältnis von Kupfer zu nichtmetallischen Partikeln und die Partikelgröße beeinflussen den Durchmesser und die Dichte der Poren im fertigen Material.
  • Als nächstes wird diese Mixtur zu einer Netz- oder nahezu Netzstruktur verdichtet.
  • Anschließend erhitzt man die verdichtete Mischung, indem sie in einen industriellen Hochtemperaturofen gefahren wird. Die Kupferpartikel in der verdichteten Mischung verkleben dabei, ohne zu schmelzen. Dabei sind Temperaturen von rund +1000 °C (im Vakuum) nötig. Bei dieser Temperatur verflüchtigen sich auch die nichtmetallischen Partikel (dies kann aber auch durch Auslösen erfolgen, nachdem das Material abgekühlt ist).
  • Am Ende werden noch die Qualitätssicherung und kundenspezifische Anpassungen (wie z.B. eine Feinbearbeitung) durchgeführt.

Durch die optimierte Morphologie und den Oberflächenbereich des resultierenden metallischen Materials mit offener poröser Zellstruktur soll sich die Wärme wesentlich effizienter ableiten und damit eine größere Wärmemenge abführen lassen als bei bisherigen porösen Metallen. Dieses Produkt vermarktet Versarien unter dem Namen »Versarien-Cu«.

Porengröße einstellbar

VersarienCu wird aus 99,7% reinem, gasverdüstem Kupferpulver mit einer nominalen Partikelgröße von 50 µm hergestellt. Mit dem neuen Material lässt sich ein Wärmeübertragungskoeffizient von ungefähr 150 kW/(m²∙K) bis 200 kW/(m²∙K) erreichen (mit 64% Porosität, 425 µm Porendurchmesser und einer Flussrate von 2 l/min mit entionisiertem Wasser).

Die Porenmorphologie, die in Versarien-Cu verwendet wird, lässt sich so einstellen, dass sie die Anforderungen spezieller Applikationen erfüllt (Bild 2). Durchmesser von 20 µm bis 1,5 mm lassen sich realisieren. Die Porosität insgesamt kann ebenfalls - je nach Bedarf - von 50% bis hinauf zu möglichen 80% verändert werden. Kleinere Porendurchmesser verbessern die Wärmeübertragung, benötigen jedoch gleichzeitig eine höhere Pumpenleistung, damit die Flüssigkeit durch das Material fließen kann.

Aus diesem Grund müssen die Entwickler entscheiden, ob ihr Design eine extra Wärmeabführung benötigt, die durch solche Porengrößen möglich ist, oder ob Kompromisse eingegangen werden können, damit die Kosten der Stückliste im vorgegebenen Rahmen bleiben.

Über den Autor:

Neill Ricketts ist Chief Executive Officer (CEO) bei Versarien.