Wärmemanagement Neuartige Methode zur Beobachtung der Wärmeausbreitung in elektronischen Bauteilen

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Jauch Quartz GmbH

ET System electronic GmbH

Forscher des MIT haben einen Weg gefunden, um präzise zu messen, wie sich Wärme durch mehrschichtige Materialien wie beispielsweise Computerchips ausbreitet.

Das gleiche Überhitzungsproblem, das bei unseren Laptops auftritt, betrifft auch Computerserver und Rechenzentren auf der ganzen Welt – und das Wärmemanagement wird immer schwieriger, je kompakter und leistungsfähiger Computerchips werden.

Um die Leistung von Chips weiter zu verbessern, ist es unerlässlich zu verstehen, wie sich Wärme auf mikroskopischer Ebene durch sie hindurch bewegt. Leider stoßen die meisten Methoden zur Messung des Wärmeflusses bei mehrschichtigen Bauteilen wie der Elektronik, die unsere moderne Welt antreibt, an ihre Grenzen.

Nun haben Forscher des MIT eine neuartige Methode vorgestellt, um die Wärmeausbreitung in mehrschichtigen Materialien zu untersuchen. Dabei kombinieren sie Röntgenstrahlen, die mehrere Schichten durchdringen, mit Laserimpulsen zur Wärmeübertragung. Mit dieser Technik haben die Forscher gemessen, wie sich Wärme im Inneren eines vielversprechenden Bauteils für Transistoren und flexible Elektronik ausbreitet.

Die Methode war nach Angaben der Forscher derart präzise, dass sie den Einfluss eines einzelnen Defekts im Mikrometerbereich in dem Bauteil quantifizieren konnten und dabei eine überraschende vierfache Verringerung der Wärmeübertragungsfähigkeit des Materials an dieser Stelle feststellten. Sie stellten außerdem fest, dass der Defekt zu einer ungleichmäßigen Wärmeausbreitung führte, wobei sich die Wärme in eine Richtung leichter ausbreitete als in die andere.

Das Team ist der Ansicht, dass dieser Ansatz Forschern helfen könnte, die Überhitzung in Geräten besser zu verstehen, und Unternehmen dabei unterstützen könnte, Elektronik mit höherer Leistungsdichte zu entwickeln – von KI-Anwendungen über Wearables bis hin zu Systemen für saubere Energie.

„Chip-Entwickler benötigen Bauelemente, die mit Hitze umgehen können“, sagt Mingda Li, außerordentlicher Professor für Nuklearwissenschaft und -technik am MIT und einer der korrespondierenden Autoren einer Open-Access-Veröffentlichung über diese Arbeit im Fachjournal Nature Communications. Er teilt die Ansicht, dass Überhitzung zum eigentlichen Engpass bei der Geräteleistung geworden ist. „Bei der Durchführung solcher Diagnosen mit herkömmlichen Methoden war es nicht möglich, bis auf die Mikro- oder Nanometerebene vorzudringen. Letztendlich möchte man jedoch noch darüber hinausgehen, um die Wärmeträger zu untersuchen und genau zu verstehen, was zu Ausfällen führt, damit lokale Hotspots vermieden und bessere Geräte entwickelt werden können. Dieser Ansatz ist ein Schritt in diese Richtung.“

Die Wärmeableitung beobachten

Um leistungsfähigere Computer und Elektronikgeräte herzustellen, müssen oft immer mehr Transistoren auf immer kleinerem Raum untergebracht werden. Je näher diese Transistoren jedoch beieinander liegen, desto heißer wird das Gerät im Betrieb und desto mehr Wärme muss abgeführt werden. Die meisten Menschen lernen dieses Problem kennen, wenn sich ihr Laptop auf dem Schoß überhitzt. Im Maßstab eines Rechenzentrums bedeutet dies, dass enorme Mengen an Energie für die Kühlung der Server aufgewendet werden müssen. Das Bestreben, Computer und Elektronik mit höherer Leistungsdichte zu entwickeln, ist somit ein Bestreben, Materialien zu finden, die Wärme am effizientesten ableiten können.

Forscher haben eine Reihe von Methoden eingesetzt, um den Wärmefluss durch Materialien zu messen und zu modellieren, doch alle weisen Einschränkungen auf, wenn es um die Untersuchung realistischer Gerätearchitekturen geht. Eine gängige optische Methode zur Untersuchung von Wärme auf mikroskopischer Ebene ist beispielsweise die zeitbereichsbezogene thermische Reflexion.

„Da diese Technik auf Optik basiert, lassen sich damit keine einzelnen Schichten untersuchen“, erklärt MIT Associate Professor Jeehwan Kim. „Echte Bauelemente bestehen aus fünf oder mehr Schichten. Außerdem liefert sie nur ein Gesamtsignal, was es schwierig macht, den Wärmetransport in Schichten zu erkennen, die unter der Oberfläche verborgen sind.“

Andere herkömmliche Techniken, wie beispielsweise Infrarotkameras, erfassen winzige Veränderungen nicht mit einer ausreichend hohen Bildfrequenz, um im kleinen Maßstab nützlich zu sein. Um diese Einschränkungen zu beheben, wollten die Forscher ein Verfahren entwickeln, mit dem sich die Wärmeübertragung in mehrschichtigen Systemen auf der Nanoskala messen lässt. Dazu setzten sie eine neuartige Analysetechnik ein, bei der Elektronenimpulse und ultraschnelle Röntgenstrahlen auf ein Material gerichtet und die dabei auftretenden Energieveränderungen gemessen werden.

„In den letzten Jahren haben Forscher im Grunde die hellste Röntgenquelle der Welt entwickelt“, sagt Thanh Nguyen, ein Doktorand am MIT und weiterer Co-Autor der begleitenden Studie. „Damit lässt sich ein Röntgenstrahl bündeln und eine unglaublich hohe räumliche Auflösung erzielen. Außerdem kann man die Probe während der Röntgenuntersuchung mit einem Laser erwärmen und so in Echtzeit beobachten, wie sich die Wärme im Raum ausbreitet.“

Diese Technik ermöglichte einen besseren Einblick in den Wärmeübergang, da der laserangetriebene Elektronenimpuls Veränderungen der Materialdehnung auf atomarer Ebene erfassen kann, während die Röntgenstrahlen mehrere Schichten des Materials durchdringen können; durch die Kombination dieser Messungen lässt sich ein klareres Bild davon gewinnen, wie ein Material Wärme transportiert.

„Mit den bisherigen Messverfahren konnte man bei realen Bauteilen nicht unterscheiden, was auf der einen Schicht im Vergleich zur anderen geschieht, sodass man lediglich den Durchschnittswert gemessen hat“, sagt MIT Postdoc Chuliang Fu, der ebenfalls an der Studie beteiligt war. „Röntgenstrahlen können durch ihre Beugung deutlich zeigen, wie sich Wärme über die Grenzfläche ausbreitet.“

Die Forscher wandten ihre Technik auf ein Testbauelement an, das aus einer Schicht aus Galliumnitrid – einem Material, das vielversprechende Eigenschaften hinsichtlich der effizienten Wärmeableitung aufweist – auf Silizium bestand. Diese Materialkombination wird bereits seit Jahren untersucht, doch es hat sich gezeigt, dass ihre thermische Leistung aufgrund winziger Defekte, die während der Herstellung entstehen, beeinträchtigt wird. Die Forscher stellten fest, dass die Wärmeabgabe an einer Faltenstelle des Bauteils um das Vierfache zurückging und die Wärmeabgabe über die Materialien hinweg um 25 Prozent sank, was auf eine stärkere Beeinträchtigung des Wärmeflusses hindeutete, als sie erwartet hatten.

„Wenn man die Wärmeableitung modelliert, geht man von perfekten Kristallen ohne Defekte aus“, sagt Li. „Doch solche großen Faltenfehler kommen in 2D-Materialien sehr häufig vor. Bislang wusste man nicht einmal, wie viel Wärme durch diese Falten abgehalten wird. Das sind Dinge, die wir mit dieser Technik nun direkt beobachten können.“

Wichtige Stütze für das Design effizienterer Chips

Laut Li habe ein führendes Konsortium der Halbleiterindustrie bereits Kontakt mit dem MIT-Team aufgenommen, um gemeinsam die Messtechnik zur Untersuchung verschiedener Chiptypen anzuwenden. Er ist überzeugt, dass sich die Technik für die Untersuchung einer Vielzahl von Materialien und Bauelementen eignen wird. „Wir können nun einen Strom durch ein Bauelement leiten, es mit Röntgenstrahlen beleuchten und beobachten, wie sich die Wärme auf sehr kleiner Skala abführt“, ergänzt Kim. „Das ist etwas, worauf die Branche schon lange gewartet hat.“

Der Ansatz ermögliche den Forschern nun, neue Erkenntnisse zu gewinnen, um die Konstruktion kommender elektronischer Systeme zu verbessern.„Dies wird eine bessere thermische Auslegung elektronischer Systeme ermöglichen“, so Kim. „Selbst bei Materialien derselben Art sind die Geometrie und die Anordnung der Materialien recht komplex, sodass uns direkte experimentelle Messungen zeigen werden, wie sich diese Unterschiede auf den Wärmefluss auswirken.“ (sg)

*Originalveröffentlichung auf MIT News vom 6. August 2026

(ID:50926717)