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Effektive Kühlung der Komponenten ist eine grosse Herausforderung: Ausgabe 15/2018, 26.09.2018

Ist löchriges Silizium der Heilige Gral der Elektronik?

Die Verkleinerung der Elektronikschaltungen ist für die Systementwickler eine grosse Herausforderung, denn die Erwärmung der ICs ist sehr kritisch geworden, zumal der Wärmeableitung Grenzen gesetzt sind.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Steve Zylius, uC

Wissenschaftler der University of California, Irvine, erzielten in diesem Zusammenhang mit einer neuen Materialkonfiguration für die Kühlung der Elektronikkomponenten einen Durchbruch. In ihrem Bericht in «Nanotechnology» beschreiben Mitglieder der Nano Thermal Energy Research Group die Merkmale von löcherigem Silizium, einem Computerchip mit winzigen, vertikal geätzten Öffnungen, die die Wärme zu gewünschten Orten leiten.

Wärmetransport in vertikaler Richtung
«Wir fanden heraus, dass Wärme sich bevorzugt vertikal aber nicht seitwärts durch löcheriges Silizium fortbewegt. Das bedeutet, dass das Material Wärme von lokalen Wärmekonzentrationen zu On-Chip-Kühlsystemen in der vertikalen Richtung effektiv transportieren kann», sagte Assistenzprofessor Jaeho Lee (Bild 1). «Der notwendige Temperaturgradient für thermoelektrische Sperrschichten in der seitlichen Richtung bleibt dagegen erhalten.» Simulationen im Labor demonstrierten, dass die Effektivität der Kühlung mit löchrigem Silizium mindestens 400 % besser als bei Chalkogeniden ist, die in der Regel in thermoelektrischen Kühlelementen verwendet werden. Das jetzige Forschungsprojekt des Labors ist die Fortsetzung einer Studie aus dem Jahr 2007, in der Lee und seine Mitarbeiter mit Nanosilizium-Netzmaterial die Eigenschaften von Phononen untersuchten – Quasipartikel, durch die Wissenschaftler Einblick in thermische Transportmechanismen erhalten.

Wellenähnliches Verhalten
Lee: «Wir wissen, dass Phononen während eines Wärmetransports ein wellen- sowie partikelähnliches Verhalten zeigen. Durch Netze mit unterschiedlichen Loch- und Abstandsgrössen konnten wir komplexe thermische Transportmechanismen im Nanobereich klarstellen.» Durch das so erhaltene Wissen von früheren Studien konnte das Team nun mehr feststellen, wie halsförmige Strukturen, die durch geätzte Löcher im löchrigen Silizium entstanden, eine Phononenrückstreuung auslösten. Dieser Partikeleffekt führte zu einer geringen thermischen Leitfähigkeit auf gleicher Ebene. Die quer zur Ebene hohe thermische Leitfähigkeit wurde durch langwellige Phononen verursacht, die die Wärme forttragen. Laut Lee hat sich das Temperaturproblem in der Elektronik in den vergangenen Jahren zugespitzt. Bei grösseren Elektronikkomponenten können Hersteller Kühlkörper, Finnen und sogar Ventilatoren verwenden. Bei den heutigen komplexen Chips mit Milliarden Nanotransistoren ist das natürlich nicht möglich. Weitere Problematiken sind Beständigkeit und Zuverlässigkeit. Halbleiterchips befinden sich in vielen neuen Positionen und agieren unter anderem als Sensoren und Aktoren in Fahrzeugen, Haushaltsgeräten und in den Nodes des IoTs. Man erwartet, dass diese Komponenten jahrelang und sogar für Jahrzehnte funktionieren. Längere Überhitzung kann dagegen den Ausfall einer derartigen Infrastruktur auslösen.

Poröses silizium – Direktverkauf von substraten
Die SmartMembranes GmbH fertigt zugeschnittene Substrate aus makroporösem Silizium und porösem Aluminiumoxid (Bild 3). Im Laufe der Prozessentwicklung und auch für interne Studien prozessiert man jedoch auch viele Siliziumwafer, die nicht an Kunden ausgeliefert, sondern charakterisiert und eingelagert werden.
Gerade für kleinere Forschungsinstitute, Universitäten oder auch industrielle F&E Massnahmen besteht so die Möglichkeit, eine Vielzahl an verschiedenen Strukturen besonders günstig zu beziehen.
Als Spin-Off des Fraunhofer Instituts für Werkstoffmechanik in DE-Halle arbeitet SmartMembranes eng mit dem Institut zusammen – aber auch mit der Martin-LutherUniversität Halle-Wittenberg sowie dem MaxPlanck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle (www.smartmembranes.de).
Bereits 2012 stellte IBM den Prototyp eines «Holey Optochips» (Bild 2) vor, der eine Kombination traditioneller Computerchiptechnologie mit optischen Leitungsbahnen war. Der Chip konnte 1 Tbps an Daten übertragen. Das bedeutet nach Angaben des Unternehmens eine Downloadleistung von 500 HD-Videos in einer Sekunde oder den Download der U.S. Library of Congress in einer Stunde (www.polyscope.ch/archiv/2012/online/2012-03-08-optisches-chipset-von-ibm-erreicht-1-tbit-s/).

Infoservice University of California
Irvine Irvine
CA 92697
www.uci.edu

 



Bild 1: Assistenzprofessor Jaeho Lee glaubt, dass löchriges Silizium ein Durchbruch für die Kühlung moderner Elektronik sein könnte


Bild 2: Der «Holey Optochip» von IBM


Bild 3: Beispiel eines löchrigen Siliziumchips