Neue Wärmeableitungstechnik in Chipstacks
Da großer Bedarf besteht, die Funktionalität zu verbessern, Pakete zu minimieren und Kosten zu reduzieren, wird in der Mikroelektronik zunehmend miniaturisiert. Für die weitere Miniaturisierung ist eine stufenförmige Änderung im Design erforderlich. Voraussetzung, um einzelne Halbleiterchips übereinander anordnen zu können, ist allerdings eine zuverlässige Verbindungstechnik für die Halbleiter. So muss für eine höhere Verbindungsdichte und Zuverlässigkeit des Systems bei thermomechanischer Belastung zum Beispiel der Wärmewiderstand gesenkt werden. Da solche Technologien bislang ausstehen und die Miniaturisierung stagniert, wurde das EU-finanzierte Projekt HYPERCONNECT (Functional joining of dissimilar materials using directed self-assembly of nanoparticles by capillary-bridging) initiiert. HYPERCONNECT entwickelte ein bahnbrechendes sequenzielles fügetechnisches Verfahren. So wie Sand feucht sein muss, damit die Sandburg zusammenhält, können kleine Brücken aus Wasserkapillaren auch Chipstapel zusammenhalten. Durch Einspritzen von Nanopartikeln in eine Wirbelschicht aus mikrometergroßen Strukturen werden von Chip zu Chip wärmeleitende Pfade erzeugt. Wird dann die Flüssigkeit zwischen den Nanopartikeln verdampft, können sich die Nanopartikel an den Kontaktzonen zwischen den größeren Partikeln sammeln. An diesen Hälsen, die zwischen den mikrometergroßen Kugeln durch Kapillarbrücken gebildet werden, kann die Wärme in 3D-Chipstapeln effizienter abgeleitet werden. Mit der Technik, Flüssigkeit und Nanopartikel so zu mischen, dass sich Hälse für den besseren Wärmeabtransport bilden, können Hunderte von Chips aufeinander gestapelt werden. Dies reduziert Baugröße und Stromverbrauch und erhöht zudem deutlich die Bandbreite. HYPERCONNECT verbesserte mit der spektakulären neuen Fügetechnik für mehrere Materialien die Wärmeleitfähigkeit um das 10- und die Zuverlässigkeit um das 5-fache. Damit können innovative 3D-Chipstack-Architekturen konstruiert werden, die die Miniaturisierung weiter vorantreiben und der EU einen enormen wirtschaftlichen Vorteil verschaffen.
Schlüsselbegriffe
Wärmeableitung, 3D-Chipstapel, Fügetechnik, HYPERCONNECT, Kapillarbrücken, innovative Werkstoffe und Nanotechnologien (NMP)
