IBM macht Wärmeleitkleber dreimal effizienter

Spätestens seit dem Pentium 4 sind sie Standard: die kleinen Blechdeckel namens "Heatspreader", die das empfindliche Die eines Prozessors vor Beschädigung bei der Montage eines Kühlkörpers schützen. Die Spreader sind jedoch eine zusätzliche Schicht zwischen der Wärmequelle und dem Kühler - weshalb die Hersteller von Grafikprozessoren sie auch gleich weglassen, immerhin wird der Kühler hier im Werk fest montiert.

Ein Chip-Package mit Heatspreader (orange) Bei Prozessoren wird jedoch der Chip in seinem "Package" - also dem Träger mitsamt Kontakten auf der Unterseite - auch einzeln verkauft, beispielsweise in Trays an PC-Hersteller. Ein Montageschutz ist daher unverzichtbar, der Wärmewiderstand des Heatspreaders muss also so klein wie möglich gehalten werden. Daher werden die Spreader mit dem Halbleiter verklebt. Dazu kommt, ganz wie bei den Wärmeleitpasten aus dem Hardware-Shop, ein spezieller Kleber mit Keramik- oder Metallpartikeln zum Einsatz. Die Partikel sollen die feinen Spalten im Metall füllen (das Die ist ohnehin spiegelglatt), als Wärmbrücken dienen und Lufteinschlüsse verhindern.

Das unerwünschte Kreuz durch Kraftverteilung Je dünner die Kleberschicht ist, umso geringer fällt der Wärmewiderstand aus, dabei sind jedoch dem Anpressdruck in der Fertigung Grenzen gesetzt, um den Chip-Träger, das so genannte Substrat, nicht zu beschädigen. Bei dieser Montage verteilt sich zudem der Kleber nicht optimal, wie IBM jetzt herausgefunden hat. Es bildet sich das "magische Kreuz" entlang den Diagonalen des rechteckigen Dies: Die Partikel verdichten sich dort, der Wärmeübergang ist an diesen Stellen besonders schlecht. Die Partikel bleiben an den Diagonalen hängen, da die auf sie einwirkenden Kräfte beim Anpressen in beide Richtungen gleich sind und sich gegenseitig aufheben.

Neues Kanalsystem IBM hat folglich diese Linien durch ein zweistufiges, hierarchiches Kanalsystem im Heatspreader durchbrochen. Die 220 oder 150 Mikrometer breiten Kanäle sorgen dafür, dass sich der Kleber beim Anpressen besser verteilen kann. Das Ergebnis: Trotz geringerem Anpressdruck war die Kleberschicht dreimal dünner, die Partikel verteilten sich gleichmäßiger und der gesamte Wärmewiderstand der Lösung war dreimal geringer als ohne die Kanäle.

Dabei wirkte auch ein neuartiger Kleber mit, den IBM zusammen mit dem Unternehmen "Momentive Performance Materials" entwickelt hat. Darin sind weit mehr Wärmeleitpartikel enthalten, die durch die feinere Verteilung in den Kanälen die Effizienz weiter steigern. Momentive will seinen Wärmeleitkleber nun zur Marktreife entwickeln; wann er in der Serienfertigung von Chips eingesetzt wird, ist noch nicht abzusehen. IBM erprobt das Verfahren derzeit und will es sobald wie möglich bei seinen Produkten einsetzen.