Dampfgekühlte Mikrokanäle Ein eingebettetes 3D-Mikrokanalsystem für bessere Kühlung von Hochleistungschips

Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

CTX Thermal Solutions GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Ein japanisches Forscherteam hat eine neuartige 3D-Mikrokanalstruktur zur Chipkühlung entwickelt. Durch eingebettete Mikrokanäle soll die Kühleffizienz der Chips mittels Verdampfungswärme von Wasser dramatisch gesteigert werden.

Die Miniaturisierung von Halbleitern und der Trend zu immer leistungsstärkeren Prozessoren stellen die Elektronikbranche zunehmend vor eine zentrale Herausforderung: das Wärmemanagement. Konventionelle Kühlsysteme stoßen bei der Wärmeabfuhr an ihre Grenzen, da immer mehr Wärme auf immer kleineren Flächen abgeführt werden muss. Nun haben Forscher der Universität Tokio einen Durchbruch erzielt, der diese Problematik grundlegend adressieren könnte.

Im Zentrum ihrer Innovation steht eine neu entwickelte 3D-Mikrokanalstruktur, die Wasser gezielt durch winzige Kapillaren innerhalb des Chips leitet. Anders als klassische Kühlmethoden nutzt dieses System nicht nur die Temperaturerhöhung von Wasser (sensible Wärme), sondern vor allem dessen Phasenwechsel – die Verdampfung – um Energie effizient abzuführen. Wasser kann beim Übergang von Flüssigkeit zu Dampf rund siebenmal mehr Wärme aufnehmen als bei reinem Temperaturanstieg, was die Effizienz der Kühlung massiv erhöht.

Wasserdampf in Mikrokanälen zur gezielten Wärmeableitung

Die Forscher integrierten komplexe kapillare Mikrokanäle direkt in die Chipstruktur und kombinierten diese mit einem intelligenten Verteilerdesign. Das Wasser wird zunächst über großflächige Verteilerkanäle zugeführt und dann durch enge Mikrokanäle geleitet, die direkt an den Hotspots der Elektronik anliegen. Nach Aufnahme der Wärme verdampft das Wasser und wird über einen zweiten Verteilerkanal abgeführt.

Eine der größten Herausforderungen bei dieser Zwei-Phasen-Kühlung ist das Management des entstehenden Dampfes innerhalb der engen Strukturen. Durch gezielte Anpassung der Kanalgeometrien und des Flussmanagements konnten die Forscher jedoch stabile Bedingungen schaffen, die eine kontinuierliche und verlustarme Kühlung ermöglichen. Der thermische Wirkungsgrad, gemessen über den Coefficient of Performance (COP), erreichte in Experimenten Werte von bis zu 100.000 – ein Niveau, das herkömmliche Kühlsysteme um Größenordnungen übertrifft. Die Forscher sprechen in ihrer Studie von einem bis zu 7-fachen Wärmeenergietransfer.

Besondere Aufmerksamkeit galt in der Entwicklung dem Zusammenspiel von Mikrokanal-Design und Verteilerarchitektur. In Vergleichsstudien wurden verschiedene Geometrien getestet, wobei sich zeigte, dass sowohl die Breite und Tiefe der Mikrokanäle als auch die Struktur der Verteiler maßgeblich die Leistung beeinflussen. Durch die optimierte Steuerung des Kühlmittelstroms konnten die Forscher lokale Hotspots effizient adressieren, die besonders bei KI-Chips und GPUs kritisch sind.

Darüber hinaus bietet die Technologie weitere Vorteile: Sie ermöglicht kompaktere Kühlkonzepte, die weniger Bauraum benötigen, und eröffnet Perspektiven für passive Kühlung. In einigen Konfigurationen könnte der Wärmetransport allein durch die natürliche Konvektion und den Phasenwechsel erfolgen, ohne dass externe Pumpensysteme nötig sind. Dies würde nicht nur die Energieeffizienz verbessern, sondern auch die Systemkomplexität und -kosten senken.

Potenzielle Anwendungsfelder reichen weit über den klassischen Halbleiterbereich hinaus. Denkbar ist der Einsatz in Lasern, optischen Sensoren, LED-Systemen sowie in der Luft- und Raumfahrttechnik, wo effizientes Wärmemanagement unter engen Platzverhältnissen besonders gefragt ist. Auch für automobile Leistungselektronik könnten sich neue Möglichkeiten ergeben.

„Effiziente Kühlung ist entscheidend für die nächste Generation von Hochleistungselektronik“, betont Professor Masahiro Nomura vom Institute of Industrial Science der Universität Tokio. „Unsere Technologie könnte der Schlüssel sein, um zukünftige Systemdesigns nicht nur leistungsfähiger, sondern auch nachhaltiger zu gestalten.“ Die vollständigen Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science veröffentlicht (DOI: 10.1016/j.xcrp.2025.102520).(sg)

(ID:50401916)