Bessere Wärmeabfuhr von Chips durch Mikrokanäle

IBM-Forscher haben auf der IEEE Semi-Therm-Konferenz Details eines neuen Packaging-Verfahrens vorgestellt, das den Wärmeübergangswiderstand zwischen Chip und Gehäusedeckel deutlich reduziert.

Ein Wissenschaftlerteam im IBM-Forschungslabor in Zürich hat es zusammen mit dem Wärmeleitpastenhersteller Momentive Performance Materials geschafft, den Wärmeübergangswiderstand zwischen Prozessor-Chip und dem zur Kühlung dienenden Gehäusedeckel zu verringern.

Üblicherweise werden die Chips mit einer Wärmeleitpaste oder einem wärmeleitenden Klebstoff mit dem Gehäusedeckel verbunden. Die Forscher fanden nun heraus, dass sich die in der Paste bzw. im Klebstoff enthaltenen, wärmeleitenden Partikel aus Metall oder Keramik bei der Gehäusemontage ungleichmäßig verteilen.

Beim Pressvorgang folgt das Fließverhalten der Wärmeleitpaste zwischen Chip und Gehäusedeckel dem geringsten Widerstand und die Partikel verdichten sich entlang der Diagonalen. Es bildet sich ein „magisches Kreuz“ entlang der Diagonalen, wie es die IBM-Forscher nennen. Diese Anhäufung von Füllstoffpartikeln verhindert eine weitere Reduzierung der Schichtdicke durch den Pressvorgang.

Um den Wärmeübergangswiderstand wirkungsvoll zu senken, müsste die Dicke der Pastenschicht weiter reduziert werden können. Um dies zu ermöglichen, haben die IBM-Forscher eine Struktur von Mikrokanälen entwickelt, die für einen verbesserten Pastenfluss sorgt. Die Innenseite des Gehäusedeckels erhält eine Prägung mit 220 µm breiten Kanälen in den Hauptdiagonalen und mehrer 150 µm breite Kanäle für die dazwischen angeordneten Querverbindungen im 45°-Raster (siehe Bild).

Durch diese Kanäle kann die Wärmeleitpaste beim Pressvorgang besser entweichen und es lassen sich Schichtdicken von weniger als 10 µm erzielen - ein Drittel der bisherigen Schichtdicke - bei einem um 50 % verringerten Druck. Die Wärmeleitfähigkeit der Pastenschicht zwischen Chip und Gehäusedeckel kann durch die Kanalstruktur um mehr als das dreifache gesteigert werden.