Kühlender Nanoteppich

  • 12. June 2006


Kühlender Nanoteppich

Physik Journal - ein filigraner Teppich aus Kohlenstoffröhrchen steigert den thermischen Kontakt zu Chipoberflächen enorm.

Heute halten surrende Lüfter und erste Kreisläufe mit Flüssigkeiten schnell getaktete Computerchips kühl. Für eine effiziente Abführung der Wärme von der Chipoberfläche wird der thermische Kontakt über so genannte Wärmeleitpasten aus Silikonöl und Aluminiumoxid, oder auch mit Aluminium-, Kupfer- und Silberanteilen gewährleistet. Da die Wärmedichten auf den Chipoberflächen bereits heute bei 35 W/cm 2 liegen und in den nächsten Jahren weiter bis auf 200 W/cm 2 ansteigen werden, sind jedoch neue Materialien nötig. Forschern des Cooling Technologies Research Center an der Purdue University gelang es nun, den thermischen Kontakt mittels filigraner Teppiche aus Kohlenstoffröhrchen um ein Vielfaches zu steigern.

Das Team um Timothy Fisher ließ dazu eine ganze Wiese der winzigen Hohlkörper mit thermischem Kontakt zu einer Siliziumoberfläche wachsen. Diese haften allerdings nicht direkt auf dem Halbleiter, sondern auf einer insgesamt 46 Nanometer dünnen Schicht aus Titan, Aluminium und Nickel. Gerade Nickelpartikel haben sich als katalytische Zuchtkeime für das Wachstum der mehrwandigen Nanoröhrchen aus einer heißen Ethylen-Atmosphäre heraus bewährt (chemical vapour deposition, CVD). Trotz dieser Metalllagen führen die Hohlkörper die Wärme eines aufgeheizten Siliziumwafers effizient ab. Während Testmessungen mit handelsüblichen Wärmeleitpasten einen Temperaturanstieg von 15 Grad ergaben, erwärmte sich ein mit dem Teppich bestückter Wafer lediglich um 5 Grad. Dafür verantwortlich ist die ausgesprochen gute Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoff. Nach diesen Ergebnissen mit einfachen Siliziumwafern ohne jeden Schaltkreis stehen nun Versuche mit schnell getakteten Computerchips aus.

Ergänzend zu diesem Projekt arbeitet die gleiche Forschungsgruppe an der Optimierung einer Flüssigkeitskühlung für Computerchips: Dabei fließt Wasser durch ein Netzwerk winziger Kanäle mit Durchmessern von etwa 100 Mikrometern. Statt mit einer normalen Mikropumpe wird der Kreislauf jedoch mit Hunderten von Elektroden entlang der Kanäle und zusätzlichen Piezoelementen an den Enden aufrechterhalten.

Jan Oliver Löfken

Quelle: Physik Journal, Juni 2006, S. 15

Weitere Infos:

  • Originalveröffentlichung:
    Jun Xu et al., International Journal of Heat and Mass Transfer 49, 1658 (2006).
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