Direkte Chipkühlung Was ist und wie funktioniert Kühlung mit Mikrokanälen und Mikrofluidik?

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Je heißer die Chips, desto effektiver müssen Kühltechniken sein. Die neueste Entwicklung ist hier die Kühlung mittels Kühlplatten, die mit Mikrokanälen bestückt sind, oder aber über das Design von 3D-Kühlstrukturen direkt für die Chips.

Wenn Chips aufgrund ihrer hohen Rechengeschwindigkeit große Mengen an Abwärme erzeugen, stellt sich wie üblich die Frage, wie diese am effektivsten abtransportiert werden kann. Luftkühlung reicht hier nicht mehr, etwa bei leistungsfähigen GPUs.

Der nächste Schritt zu mehr Effizienz ist die Ausrüstung mit flächenhaften Wärmetauschern, die auf die jeweiligen Chips aufgebracht werden und deren Abwärme in eine Flüssigkeit übergeben. Der innere Aufbau der Wärmetauscher entscheidet dabei über die Effizienz.

Je feiner die Struktur, desto wirksamer

Wie sich zeigt, sind Strukturen mit besonders feinen Kanälen, so genannten Mikrokanälen, besonders wirksam darin, die Abwärme abzuführen. Ihr Wärmewiderstand ist um ein Vielfaches geringer als der solider oder nur grob strukturierter Kühlplatten.

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Derartige Kühler können erheblich mehr Wärme abführen und damit Überhitzungsprobleme wirksam verhindern. Denn in so feinen Kanälen kommt es zu anderen strömungsmechanischen Vorgängen, was von der Mikrofluidik erforscht wird. Allerdings braucht man unter Umständen einen höheren Pumpdruck, um die Flüssigkeit durch die Kanäle zu bewegen.

Kühlkanäle direkt im Chip

Inzwischen gehen die Experimente noch weiter. Nämlich dahin, 3D-Mikrostrukturen für die Kühlung direkt in das Chipdesign mit einzubeziehen. Diese Art der Mikrofluidik-Anwendung kommt vor allem bei Hochleistungselektronik zum Einsatz.

Die ersten Ideen für solche Chipdesigns wurden bereits 2008 publiziert. Drei Autoren vom Georgia Institute for Technology, Paul Josephs, James Meindl und Muhannad Bakir, entwarfen in ihrem Beitrag Beitrag ein Chipdesign, das mit dem CMOS-Prozess kompatibel ist und zu stapelbaren Designs mit integrierter Flüssigkühlung führt. Allerdings erhöht sich dadurch die Zahl der nötigen Prozessschritte.

Der thermale Widerstand der Struktur lag bei 0,24 Grad Celsius pro Watt. Das Design umfasst 2500 Kupfer-Silizium-Durchkontaktierungen pro Quadratzentimeter, die mit der Hitzesenke integriert wurden.

Fraunhofer IZM: Flüssigkühlung via Interposer

Im Jahr 2017 gelang Forschern am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration ein Chipdesign mit mikrofluidischer Kühlung. Sie benutzten als Leiter für die Kühlflüssigkeit den Interposer. Diese Schicht trennt Leiterplatte und Chip voneinander und wird dann direkt von der Kühlflüssigkeit durchströmt (Mikrokonvektion).

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Sie wurde von einem Forschungsteam um Wolfram Steller, Hermann Oppermann und Jessika Kleff der Interposer mit hermetisch versiegelten Durchgangskontakten versehen, die dafür sorgen, dass Elektrik und Flüssigkeit zuverlässig getrennt bleiben. Daneben, aber sicher abgetrennt, liegen wie üblich die elektrischen Durchkontakte.

Interposer aus zwei Siliziumplatten

Auf diese Weise kann man mit den Kühlkanälen auch die Rückseite der Chips abkühlen, was bislang nicht möglich war. Denn die Kühlkontakte wurden ausschließlich von oben auf den Chip aufgebracht.

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Dafür bauten die Forscher den Interposer aus zwei separaten Siliziumplatten, in die sie jeweils die obere respektive untere Hälfte der vorgesehenen Flüssigkeitskanäle einätzten, genau wie die Löcher für die elektrischen Durchkontaktierungen. Klappt man die Interposer-Hälften nun aufeinander und verklebt sie, entstehen geschlossene Kanäle, in denen die Flüssigkeit unmittelbar unter dem Prozessor und neben den versiegelten Durchkontakten, aber sicher von ihnen getrennt, hindurchfließen kann.

Experimentelles Design von Microsoft

Microsoft berichtete 2025 von ersten experimentellen Designs, bei denen Mikrokanäle direkt auf die Rückseite von Chips geätzt wurden. Zuvor wurden mit Hilfe von AI die heißesten Stellen identifiziert, an denen eine besonders wirksame Kühlung notwendig war.

Die Kühlflüssigkeit wird über einen speziellen Adapter direkt auf den Chip aufgesetzt. Mit dieser Technik soll es laut Microsoft auch möglich sein, Chips kurzfristig zu übertakten, also außerhalb ihres sicheren Betriebsspektrums zu betreiben, ohne dass Überhitzungsprobleme daraus folgen.

Versuche in Lausanne

Auch an der Polytechischen Hochschule Lausanne (EPFL) experimentiert man mit der Technik. Eine Forschungsgruppe um Remco van Erp hält es für möglich, dass mittels solcher Technologien die Kühlenergie statt 30 Prozent des Datacenter-Energiebedarfs nur noch 0,1 Prozent ausmachen könnte.

Weiter steckten ein Voltageregulator als Spannungsquelle für den Chip und optische Bauelemente für Datenübertragung in dem Interposer.

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