Teppich aus Nanoröhrchen für kühlere Chips

Heute halten surrende Lüfter und erste Kreisläufe mit Flüssigkeiten schnell getaktete Computerchips kühl. In Zukunft könnten Nanoröhrchen aus Kohlenstoff den Abfluss der Wärme erleichtern.

West Lafayette (USA) - Für eine effiziente Abführung der Wärme von der Chipoberfläche wird der thermische Kontakt über so genannte Wärmeleitpasten aus Silikonöl und Aluminiumoxid gewährleistet. Doch da Chips in den kommenden Jahren ihre Heizleistung noch vervielfachen werden, suchen Forscher nach neuen Kühlmaterialien. Filigrane Teppiche aus Kohlenstoffröhrchen sollen nach ersten Ergebnissen von US-Forschern den thermischen Kontakt deutlich steigern können.

"Wenn immer mehr Schaltkreise auf die gleiche Fläche gebannt werden, wird immer mehr Hitze pro Volumeneinheit erzeugt", sagt Issam Mudawar, Professor am Cooling Technologies Research Center der Purdue University. Um dieses Problem zu lösen, ließ das Team um Timothy Fisher eine ganze Wiese aus Nanoröhrchen auf einer Siliziumoberfläche wachsen. Allerdings haften die Röhrchen nicht direkt auf dem Halbleiter. Dazwischen erstreckt sich noch eine insgesamt 46 Nanometer dünne Schicht aus den Metallen Titan, Aluminium und Nickel. Gerade Nickelpartikel haben sich als katalytische Zuchtkeime für das Wachstum der mehrwandigen Nanoröhrchen aus einer heißen Ethylen-Atmosphäre heraus bewährt. Trotz dieser Metalllagen konnten die Hohlkörper die Wärme eines aufgeheizten Siliziumwafers effizient abführen. Während handelsübliche Wärmeleitpasten bei Testmessungen am Wafer zu einem Temperaturanstieg von 15 Grad führten, lag diese Erwärmung mit dem Nanoröhrchenteppich bei lediglich 5 Grad. Dafür verantwortlich ist die ausgesprochen gute Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoff. Nach diesen Ergebnisse mit einfachen Siliziumwafern ohne jeden Schaltkreis, stehen nun noch Versuche dieser Röhrchenteppiche auf schnell getakteten Computerchips aus.

Ergänzend zu diesem Projekt arbeitet die gleiche Forschungsgruppe an der Optimierung einer Flüssigkeitskühlung, um die Chipwärme an die Umgebung abzugeben: Durch ein Netzwerk winziger Kanäle mit Durchmessern von etwa 100 Mikrometern fließt Wasser. Statt mit einer normalen Mikropumpe wird der Kreislauf jedoch mit Hunderten von Elektroden entlang der Kanäle und zusätzlichen Piezoelementen an den Enden aufrecht erhalten. Durch wechselnde Spannungspulse erzeugen die Elektroden in den Kanälen ein vorstrebendes elektrisches Feld, das die Ionen im Wasser mit sich reißt. Unterstützt durch die Piezoelemente an den Kanalausgängen, die sich durch wechselnde Strompulse kontrahieren und ausdehnen, reicht die Pumpleistung für einen effektiven Wasserfluss aus. Beide Kühltechnologien stehen allerdings noch in der Entwicklung und könnten erst in wenigen Jahren zum Einsatz kommen.