Chipkühlung: Trumpf bringt Laser in den Chip-Stack

Warum wird Chipkühlung bei KI-Chips zum Engpass?

Die nächste Generation leistungsfähiger KI-Chips stellt neue Anforderungen an die Wärmeabfuhr. Auf der Semicon Taiwan zeigt Trumpf erstmals eine Anwendung mit Ultrakurzpulslasern, die eine industrielle Fertigung von direkt auf KI-Chips integrierten Kühlsystemen ermöglichen soll, wie das Unternehmen mitteilt.

„Die Wärmeabfuhr wird zum Engpass künftiger KI-Prozessoren. Ohne neue Kühlkonzepte lassen sich die hohen Anforderungen nicht erfüllen. Unsere Ultrakurzpulslaser ermöglichen die wirtschaftliche Herstellung der dafür erforderlichen Mikrostrukturen in industriellem Maßstab“, sagt Cathrin Conrad, Business Development Managerin bei Trumpf und verantwortlich für das Thema Chipkühlung.

Mit der neuen Laseranwendung können Chiphersteller Kühlstrukturen flexibel in den Chip-Stack einbringen. Das Verfahren eignet sich laut Trumpf für verschiedene Materialien, darunter Siliziumkarbid und Diamant.

Advanced Packaging verändert die Wärmeabfuhr

Hintergrund der Entwicklung ist der zunehmende Einsatz von Advanced Packaging. Bei dieser Halbleitertechnologie werden Chips gestapelt oder eng miteinander verbunden, um auf kleinem Raum mehr Rechenleistung zu ermöglichen.

Damit verändert sich jedoch die thermische Herausforderung. Die Wärme entsteht zunehmend im Inneren des Chip-Stacks. Herkömmliche Methoden wie die Kühlung von Serverracks oder ganzen Rechenzentren können diese Wärme laut der Mitteilung nur noch eingeschränkt abführen.

Führende Halbleiterhersteller haben deshalb neue Kühlkonzepte für Chips in ihren Entwicklungs-Road-Maps. Dazu zählen beispielsweise mikrofluidische Kühlung und Heatspreader. Feinste Strukturen werden dabei in das Chippackage eingebracht, um Wärme möglichst dort abzuführen, wo sie entsteht.

Warum ist Siliziumkarbid schwierig zu bearbeiten?

Eine Herausforderung liegt in der Fertigung der benötigten Mikrostrukturen. Die Halbleiterhersteller müssen diese beispielsweise in Siliziumkarbid einbringen. Das Material eignet sich für anspruchsvolle Anwendungen im Halbleiterbereich und kann Wärme effizient ableiten.

Gleichzeitig ist Siliziumkarbid extrem hart. Hinzu kommen die sehr kleinen Abmessungen der erforderlichen Strukturen. Mit etablierten Ätzprozessen sind diese nach Angaben von Trumpf nur schwer herzustellen.

An dieser Stelle sollen die Ultrakurzpulslaser des Unternehmens ansetzen. Sie tragen das Siliziumkarbid mikrometergenau ab und erzeugen dabei die für die Kühlung notwendigen feinen Strukturen.

Ultrakurzpulslaser für die industrielle Chipkühlung

„Der entscheidende Vorteil unserer Technologie: Erst die Kombination aus hoher Laserleistung, Strahlformungstechnologie und unserem langjährigen Anwendungs-Know-how machen die industrielle Fertigung integrierter Kühlsysteme im Chip-Stack möglich”, sagt Conrad.

Entscheidend ist dabei eine hohe Präzision. Sie soll gewährleisten, dass die integrierte Kühlung zuverlässig funktioniert. Neben der Genauigkeit spielt für die Halbleiterfertigung jedoch auch die Produktivität eine zentrale Rolle.

Wie schnell fertigen die UKP-Laser die Kühlstrukturen?

Gegenüber dem Ätzen sollen die Ultrakurzpulslaser laut Trumpf eine mindestens 5-fach höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit erreichen. Gleichzeitig verspricht das Verfahren eine hohe Oberflächenqualität und eine präzise Geometrie der Kühlstrukturen.

Damit zielt die Anwendung auf zwei zentrale Anforderungen der Halbleiterindustrie: Qualität und Wirtschaftlichkeit. Für Chiphersteller ist neben der präzisen Bearbeitung insbesondere die Produktivität des Fertigungsverfahrens von Bedeutung.

mit Material von Trumpf