Wärmemanagement für KI-Prozessoren 300-mm-SiC-Substrate für KI-Infrastruktur

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Durch hohe Leistungsdichten wird die Wärmeabfuhr bei KI-Prozessoren zunehmend zum begrenzenden Faktor. Coherent hat deshalb mit der Bemusterung hoch wärmeleitfähiger SiC-Substrate im 300-mm-Format begonnen. Sie sind nicht als aktive Halbleiter, sondern für Wärmeverteiler und weitere Packaging-Lösungen vorgesehen.

Coherent stellt erste Muster seiner hoch wärmeleitfähigen Siliziumkarbid-Substrate mit einem Durchmesser von 300 mm für Partner aus der KI-Halbleiterindustrie bereit. Damit überführt das Unternehmen die bislang intern entwickelte Materialplattform in die Kundenerprobung. Zielgruppe sind Hersteller und Packaging-Unternehmen, die Lösungen für KI- und High-Performance-Computing-Systeme entwickeln.

Anders als die Bezeichnung „SiC für KI-Chips“ vermuten lassen könnte, handelt es sich nicht um aktive Leistungshalbleiter. Die Substrate sollen vielmehr als wärmeleitendes Material innerhalb fortschrittlicher Gehäuse- und Packaging-Strukturen eingesetzt werden. Denkbare Anwendungen sind Wärmeverteiler, sogenannte Heat-Spreader, sowie verwandte Lösungen, die Wärme möglichst effizient vom Prozessor zu nachfolgenden Kühlstrukturen transportieren.

Wärmeabfuhr begrenzt die Rechenleistung

Mit der steigenden Rechenleistung von KI-Beschleunigern wachsen auch deren Leistungsaufnahme und Verlustwärme. Eine unzureichende Wärmeabfuhr kann die erreichbare Rechenleistung einschränken, die Zuverlässigkeit beeinträchtigen und den Energiebedarf der Kühlung im Rechenzentrum erhöhen. Neben Flüssigkeitskühlungen und optimierten Kühlkörpern rücken deshalb auch die Materialien innerhalb des Halbleiter-Packagings stärker in den Fokus.

Siliziumkarbid verbindet eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit mechanischer Festigkeit und thermischer Stabilität. Nach Angaben von Coherent sind die neuen Substrate so ausgelegt, dass sie Wärme gegenüber derzeit eingesetzten Lösungen um bis zu 25 Prozent besser verteilen. Gleichzeitig sollen sie mit bestehenden Fertigungsplattformen der Halbleiterindustrie kompatibel bleiben. Eine unabhängige Bestätigung dieses vom Hersteller genannten Vergleichswertes liegt bislang nicht vor.

300 mm erleichtern die Integration

Von besonderer Bedeutung ist der Durchmesser von 300 mm. Dieses Waferformat ist in der modernen Halbleiterfertigung weit verbreitet und ermöglicht die Verarbeitung einer größeren Anzahl von Bauelementen beziehungsweise Packaging-Strukturen pro Wafer. Für den Einsatz von SiC als thermisches Substrat kann das Format die Einbindung in vorhandene Produktionsabläufe erleichtern.

Coherent deckt nach eigenen Angaben mehrere Schritte der SiC-Produktion selbst ab. Dazu gehören die Kristallzüchtung, das Sägen beziehungsweise Herstellen der Wafer, das Polieren und die abschließende Charakterisierung. Diese vertikale Integration soll eine möglichst genaue Kontrolle der Materialeigenschaften ermöglichen und den späteren Übergang zu höheren Stückzahlen unterstützen.

Die Bemusterung bedeutet allerdings noch keinen Beginn der Serienfertigung. Zunächst prüfen Halbleiter- und Packaging-Unternehmen, ob die Substrate die thermischen, mechanischen und fertigungstechnischen Anforderungen ihrer Anwendungen erfüllen. Die dabei gewonnenen Rückmeldungen sollen in die weitere Entwicklung der 300-mm-SiC-Plattform einfließen. (mr)

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