Bauelemente – Bloß nicht überhitzen

Waren tragbare Computer vor einigen Jahren noch recht sperrig, passen sie nun bequem in kleine Aktentaschen. Denn die Bauelemente, die sich auf den Substraten und Mikrochips befinden, schrumpfen von Modell zu Modell und rücken immer näher zusammen.

Es finden zunehmend mehr Bauteile Platz auf den Chips. All diese Teile erhitzen sich und strahlen Wärme ab – sie wirken fast wie kleine Kraftwerke. Je mehr Bauteile auf kleinstem Raum nebeneinander arbeiten, desto schwieriger ist es, die Wärme abzuführen. Zu viel Wärme kann jedoch das Aus für die Elektronik bedeuten: Die Bauelemente und Verbindungsstellen halten nur Temperaturen von 90 bis 130 Grad Celsius stand.

Um die Wärme abzuführen, bauen die Hersteller daher eine kleine Platte aus Kupfer oder Aluminium unterhalb der Komponenten ein – sie leitet die Wärme nach außen ab. Diese Platte wiederum ist mit Keramikkomponenten oder Silizium, dem Hauptbestandteil des Chips, verlötet. Erwärmt sich dieses System, dehnt sich die Metallplatte etwa drei- bis viermal so stark aus wie das Silizium und die Keramiken. Es treten Spannungen auf, in den Lötstellen können Risse entstehen. Der Miniaturisierung sind daher Grenzen gesetzt.

Um die Wärme auch bei einer hohen Bauteildichte optimal abzuführen und auch immer kleiner werdender Elektronik ein langes Leben zu bescheren, wünschen sich Industriekunden ein Material mit besonderen Eigenschaften: Es soll Wärme noch besser leiten als das bisher verwendete Aluminium oder Kupfer, sich bei hohen Temperaturen aber nicht stärker ausdehnen als Keramik oder Silizium. Ein solches Material haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden im EU-Projekt »ExtreMat« entwickelt; gemeinsam mit Industriepartnern wie Siemens und Plansee. Die Forscher haben die recht hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer noch übertroffen: »Wir haben dem Kupfer Diamant-Pulver zugefügt.

Diamant leitet Wärme etwa fünfmal besser als Kupfer«, sagt Dr.-Ing. Thomas Schubert, Projektleiter am IFAM. »Der entstandene Werkstoff dehnt sich bei Erwärmung nicht weiter aus als Keramik, leitet Wärme aber anderthalbmal besser als Kupfer. Das ist eine einzigartige Kombination von Eigenschaften.« Kupfer und Diamant zusammenzubringen, ist jedoch nicht einfach: Die Forscher mussten eine dritte Zutat finden, die Kupfer und Diamant chemisch miteinander verbindet. »Dafür verwenden wir z.B. Chrom. Bereits geringe Mengen bilden an der Diamantoberfläche eine Carbidschicht aus, die sich mit Kupfer gut verbindet«, erklärt Schubert. Erste Demonstratoren des Materials gibt es bereits.