Chipkühler mit Nanoröhrchen

Feinste Röhrchen aus Kohlenstoff könnten helfen, Mikroprozessoren vor dem Hitzetod zu bewahren. Finnische und amerikanische Forscher haben ermittelt, dass Kühlkörper aus Nanoröhrchen die im Chip produzierte Wärme ebenso gut ableiten wie Kühlkörper aus Kupfer. Gleichzeitig sind sie jedoch sehr viel stabiler.

Der Prototyp des Nanoröhrchen-Kühlkörpers trägt 10 x 10 Kühlzacken je Quadratmillimeter Grundfläche. Bild: Courtesy Rensselaer/Robert Vajtai

Indem Mobiltelefone, Audioplayer und andere Geräte immer kleiner würden, müssten auch die eingebauten Kühlkörper schrumpfen, erklärt Robert Vajtai vom Rensselaer Polytechnic Institute im US-Bundesstaat New York. “Bei Größenskalen unterhalb eines Millimeters werden herkömmliche Kühlkörper-Materialien jedoch instabil. Silizium wird sehr spröde und zerbricht rasch, während metallene Strukturen leicht verbiegen und abbrechen.”

Vajtai und seine Kollegen von der Universität im finnischen Oulu testeten nun eine Alternative auf Basis von Nanoröhrchen. Die Forscher leiteten knapp 800 Grad heißes, kohlenstoffhaltiges Gas über eine vorbehandelte Scheibe aus Silizium und Siliziumdioxid. Indem der Kohlenstoff auf der Scheibe abgeschieden wurde, bildete er eine 1,2 Millimeter dicke Schicht aus 10 bis 90 Nanometer breiten, mehrwändigen Nanoröhrchen. Mit einem Laser frästen die Forscher eine Nagelbrett-Struktur in diese Schicht, lösten sie von der Unterlage und befestigten sie auf der Rückseite eines Messchips. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass die Struktur diese Prozedur problemlos verkraftete.

Dank des Kühlkörpers aus Nanoröhrchen stieg die Wärmeabgabe des Chips um 11 Prozent, berichtet die Gruppe im Fachblatt “Applied Physics Letters”. Kam zusätzlich ein Stickstoff-Gebläse zum Einsatz, betrug der Unterschied 19 Prozent. Bei einer Chiptemperatur von 100 Grad Celsius bedeute dies eine zusätzliche Leistungsabgabe von 30 bzw. 100 Watt pro Quadratzentimeter Chipoberfläche, so die Forscher. Umgerechnet auf die Masse des Nanoröhrchen-Kühlkörpers betrage die Wärmeabgabe 1,1 bzw. 3,7 Kilowatt pro Gramm.

Forschung: Krisztián Kordás und Antti Uusimäki, Department of Electrical and Information Engineering, University of Oulu; Robert Vajtai und Pulickel M. Ajayan, Department of Materials Science and Engineering, Rensselaer Polytechnik Institute, Troy, New York; und andere

Veröffentlichung Applied Physics Letters, Vol. 90, Artikel 123105, DOI 10.1063/1.2714281

WWW:
Microelectronics and Materials Physics, University of Oulu
Materials Science and Engineering, Rensselaer Polytechnic Institute
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