IBM Forscher erzielen neuen Durchbruch bei der Chipkühlung
Die Geheimnisse des "magischen Kreuzes" für höhere Leistung
San Jose, USA/Zürich, Schweiz, 23. März 2007 - IBM Forscher haben auf der IEEE Semi-Therm-Konferenz Details eines neuen Verfahrens vorgestellt, das die Fähigkeit, Computerchips zu kühlen, signifikant erhöhen kann.
Die Technik wurde von einem Wissenschaftlerteam im IBM Zürich Forschungslabor in Kooperation mit Momentive Performance Materials, ehemals GE Advanced Materials, entwickelt und überwindet eine Barriere in der Chipkühlung durch eine Verbesserung in der Anwendung des "Klebers", der Chips an ihre Kühlsysteme anbindet. Die neue Technik könnte es erlauben, schnellere Computerchips effizienter zu kühlen.
In heutigen Chips wird mehr und mehr Hitze erzeugt, da die Leiterbahnen immer kleiner werden. Um die Hitze vom Chip abzuführen, wird ein Kühlsystem am Mikroprozessor mit einem speziellen Kleber angebracht. Der Kleber ist nötig, um beide Systeme zu verbinden, schafft aber eine Barriere im Hitzeabtransport.
Um die Hitze-Leiteigenschaften des Klebers zu verbessern, wird er mit Metal- oder Keramikpartikeln in Mikrometergröße angereichert. Diese Partikel bilden Cluster und "Hitzeabführungsbrücken" vom Chip zum Kühler, um die Einschränkungen des Klebers zu minimieren. Dennoch bleiben auch stark partikelgefüllte Klebepasten eher ineffizient, da sie bis zu 40 Prozent der Kühlkapazität aufbrauchen.
IBM Forscher haben nun die Ursachen erkundet und eine neue Verfahrenstechnik vorgestellt, um das Problem zu lösen. In der Beobachtung, wie der Kleber sich bei der Aufbringung des Chips auf das Kühlelement ausbreitet, haben die Wissenschaftler festgestellt, daß sich eine kreuzartige Form bildet, in der sich große Mengen von Partikeln ansammeln und damit die die Ausbreitung der Klebeschicht auf die gesamte Oberfläche behindern.
Die Wissenschaftler konnten die Ursache dieses Fließverhaltens der Klebepaste aufklären, die dem Weg geringsten Widerstandes folgt. Entlang der Diagonalen werden die Partikel in entgegengesetzte Richtungen gezogen und bewegen sich daher gar nicht. Daher gibt es an einigen Stellen Verdickungen, während der Aufbringungsprozeß geschieht - und damit bildet sich das "magische Kreuz".
Um dieses Problem zu lösen, hat das Team ein spezielles Layout an mikrometer-großen Kanälen in einer baumartig verzweigten Struktur entworfen, das aus größeren und kleineren Kanälen besteht, und wie ein Verteilungssystem für die Klebepaste genau an den Stellen fungiert, wo die Partikel normalerweise stocken würden. Das ermöglicht den Partikeln, sich homogener zu verteilen und reduziert die Dicke der verbleibenden Kleberlücke.
Die erreichten Ergebnisse sind beeindruckend: Die Dicke der Kleberpaste konnte um den Faktor drei reduziert werden, und der Druck, der benötigt wird, um die Paste auf die gleiche Dicke niederzupressen, konnte um einen ähnlichen Faktor reduziert werden. Diese niedrigeren Montagedrücke erlauben es, daß die empfindlichen Komponenten und Verbindungen unterhalb des Chips nicht beschädigt werden, wenn das Chippackage erzeugt wird. Die Kanäle ermöglichen darüber hinaus Klebepasten mit einem höheren Partikel-Füllfaktor und höherer thermaler Leitfähigkeit. Diese können zu dünneren Klebeschichten gepresst werden und reduzieren dadurch den Wärmeleitwiderstand der Klebeschicht beträchtlich um mehr als den Faktor drei. Die neue Technik erlaubt Luftkühlsystemen, mehr Hitze abzutransportieren und hilft, die Energieeffizienz von Computern weiter zu verbessern.
Um die Technik weiter in echten Kühlsystemen zu optimieren und ihre Machbarkeit zu demonstrieren, hat das IBM Team mit dem Kleberhersteller Momentive Performance Materials, Wilton, CT, USA, zusammengearbeitet. Zusammen mit anderen Industrieanbietern werden Werkzeuge entwickelt, um die Oberflächenkanäle im gleichen Kupferprägeprozess, der gegenwärtig für die Herstellung von Serienchipformen eingesetzt wird, zu definieren. Diese Entwicklungsarbeit wurde im Papier "Hierarchical Nested Surface Channels for Reduced Particle Stacking and Low-Resistance Thermal Interfaces" von R. J. Linderman, T. Brunschwiler, U. Kloter, H. Toy, B. Michel, Proc. 23rd IEEE SEMI-THERM Symp., 2007, vorgestellt.
Weitere Informationen in der original englischsprachigen Presseinformation anbei.
Fotomaterial verfügbar unter: http://www.zurich.ibm.com/news/07/cooling.html
IBM Researchers unveil details of chip cooling breakthrough
Unraveling the secrets of the “magic cross” to squeeze more performance out of chip cooling
San Jose, U.S., Zurich, Switzerland, 22 March 2007 — Today, at the IEEE Semi-Therm conference, IBM researchers unveiled details on a new technique to significantly increase the ability to cool computer chips.
The technique, developed by a team of scientists at the IBM Zurich Research Laboratory in co-operation with Momentive Performance Materials, formerly GE Advanced Materials, overcomes a barrier in chip cooling by improving the application of the “glue” that binds chips to their cooling systems. The new technology could allow for faster computer chips to be cooled more efficiently.
In today’s computer chips, as the circuits on chips get smaller and smaller, the chip puts out more heat than ever before. To remove the heat from the chip, a cooling system is attached to the microprocessor using a special adhesive or glue. This glue is necessary to bind the two systems together, yet it poses a real barrier in heat transport.
To improve the glue’s heat-conducting properties, it is enriched with micrometer-sized metal or ceramic particles. These particles form clusters and build “heat-evacuation bridges” from the chip to the cooler to make up for the glue’s shortcomings. However, even highly particle-filled pastes are still inefficient, consuming up to 40 percent of the overall thermal budget, i.e. of the cooling capacity available to draw the heat away.
IBM researchers now unveiled the reason and presented a novel technique to solve this problem. By observing how the glue spreads when attaching a chip with its cooling element, the scientists noticed a cross forming in the paste, where large numbers of particles were pilling up, inhibiting the ability to thin out the layers of glue. The scientists were able to trace the cause of this back to the flow behavior of the paste, which simply follows the path of least resistance. Along the diagonals, the particles are pulled in opposite directions and as a result they do not move anywhere and pile up on each other as the squeezing process continues – forming the “magic cross”.
To overcome this problem, the team designed a special layout of micrometer-sized channels – or trenches – in a tree-like branched structure, consisting of larger and smaller channels, which functions like an irrigation system for the paste at exactly those spots where the particles would pile up. This allows the particles to spread more homogeneously, and reduces the thickness of the resulting paste gap.
The results obtained are impressive: The paste thickness could be reduced by a factor of three, and the pressure needed to squeeze the paste to the same bondline thickness could be reduced by a similar factor. These lower assembly pressures ensure that the delicate components and interconnects below the chip are not damaged as the chip package is created. The channels also allow pastes with higher fill factor and higher bulk thermal conductivity to be squeezed to thinner gaps, thereby reducing the thermal resistance of the paste interface considerably by more than a factor of three. The new technology allows air-cooling systems to remove more heat and helps to improve the overall energy efficiency of computers.
To further optimize the technology in real cooling systems and to demonstrate its feasibility, the IBM team co-operated with paste manufacturer Momentive Performance Materials, Wilton, CT, U.S.A.
Together with other industry-leading suppliers tools are developed to define the surface channels through the same copper stamping process currently used to fabricate high volume chip lids. This will define a full supply chain of low-cost parts to quickly integrate the new technique into products.
The work is being published in the paper "Hierarchical Nested Surface Channels for Reduced Particle Stacking and Low-Resistance Thermal Interfaces" by R. J. Linderman, T. Brunschwiler, U. Kloter, H. Toy, B. Michel, Proc. 23rd IEEE SEMI-THERM Symp., 2007
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