Die am PARC entwickelten Federbalken für die Chip-Montage. Bildquelle: PARC
Klammern statt Löten: Mit Hilfe von Federbalken montieren Forscher Prozessoren austauschbar auf Platinen, statt sie festzulöten. Defekte Einzelchips kann man so entfernen, ohne das ganze Modul wegwerfen zu müssen.
In gewisser Hinsicht ist die Computertechnik immer noch ein Kind der Wegwerf-Gesellschaft der sechziger und siebziger Jahre: „Die ganze Industrie fußt auf einer Lötkonstruktion, die sich nachträglich nicht mehr überarbeiten lässt“, moniert Eugene Chow vom Palo-Alto-Forschungszentrum PARC. „Wenn ein Chip in einem Modul aus mehreren Chips nach dem Löten nicht funktioniert, müssen Sie das ganze Ding wegwerfen.“
Chow und seine Kollegen arbeiten deshalb an einem neuen Ansatz, der den bislang entstehenden Elektronikmüll reduzieren soll. Sie legen ein Raster aus mikroskopischen Federbalken an, die vom Gewicht eines Chips heruntergedrückt werden. Verbindet man deren Oberflächen im zweiten Schritt mit Klebstoff, entsteht eine dauerhafte elektronische Verbindung des Chips mit dem Untergund. Der Vorteil: „Sie können den Chip erst mal testen und verkleben ihn nur dann, wenn er funktioniert. Sonst nehmen Sie das fehlerhafte Bauteil einfach aus dem Raster heraus“, erläutert Chow das Prinzip.
Derzeit konzentrieren sich die Ingenieure auf Hochleistungsprozessoren für Supercomputer oder High-End-Server. In denen werden mehrere Chips in dicht gepackten Gruppen zu so genannten Multichip-Modulen miteinander kombiniert. Die Abstände zwischen den Chips müssen dabei möglichst klein sein, damit die elektronischen Signale zwischen ihnen schnell transportiert werden können.
„Ich glaube aber, dass es nur eine Frage der Zeit ist, bis sich dieser Ansatz auch für weniger anspruchsvolle Prozessoren durchsetzt“, sagt Chow. Am Ende könnte er selbst in leistungsfähigen Handys Anwendung finden. Denn der Trend gehe dahin, immer mehr Chips selbst in kleine Geräte zu packen. Mit der neuen Feder-Konstruktion könne der Abstand zwischen Chips in diversen Geräten minimiert werden. Das Team um Chow hat einen Abstand zwischen den Federbalken von nur sechs Mikrometern geschafft. Zum Vergleich: Lötverbindungen erfordern Abstände von einigen zehn Mikrometern.
Bei den Federbalken handelt es sich um flache Metallstreifen, die sich vom Untergrund nach oben biegen. „Das ist die einfachste Form einer Feder, die es gibt“, sagt Chow. Hergestellt werden die Streifen, indem die Ingenieure auf dem Untergrund zunächst eine Titanschicht aufbringen. Auf diese kommt dann das Material, aus dem die Federn bestehen. Es weist bereits eine innere Spannung auf, die dazu führt, dass sich die Streifen verbiegen, wenn das Titan darunter – bis auf die Verankerung – weggeätzt wird. Die Umrisse der Federbalken werden mittels Photolithographie festgelegt.
„Ein elegantes Verfahren, um eine dreidimensionale Struktur herzustellen“, findet Chow. Im letzten Arbeitsgang überziehen die Forscher die Federbalken noch mit Gold, um sie stabiler und elektrisch leitfähiger zu machen. Die konkrete Anordnung der Federn hängt dabei vom Layout der Chip-Kontakte ab, die auf den Untergrund kommen. Die Chips selbst haben kleine Mulden auf der Unterseite, die genau auf Erhebungen auf dem Substrat – zum Beispiel eingebettete Saphir-Kügelchen – passen. Auf diese Weise lassen sich die Chips exakt positionieren.
Im Juni hatten Chow und Kollegen ihr Konzept auf der Electronics Components and Technology Conference in Las Vegas in einem Testchip von Oracle demonstriert, mit dem das elektrische und thermische Verhalten von Hochleistungsprozessoren untersucht wird. Der Testchip hat rund 4000 Zellen von 180 Quadratmikrometern. Jede enthält ein winziges Thermometer, einen Sensor, der die Stromzufuhr zur Zelle misst, sowie einen Erhitzer, damit der Chip dieselbe Wärmemenge abstrahlt wie der simulierte Prozessor bei voller Leistung.
Chin Lee, Elektrotechniker an der Universität von Kalifornien in Irvine, sieht einen weiteren Grund, auf Lötverbindungen zu verzichten: die anhaltende Miniaturisierung von Computerchips. „Die Lötverbindungen können nicht beliebig mitschrumpfen“, sagt Chin.
Mit den Federn könnten Chiphersteller präziser fertigen als mit Lötverbindungen, bekräftigt Chow, weil kompaktere Gruppen von Bauteilen möglich würden. „Alle schauen bei der Beschleunigung auf Transistoren und die elektronischen Bauteile. Tatsächlich ist aber deren Einbau der Flaschenhals bei der Steigerung der Leistungsfähigkeit“, so Chow.
Das sieht auch Bahgat Sammakia, Direktor des Small Scale Systems Integration and Packaging Center an der Universität Binghamton im Bundesstaat New York, so: „Die beste Halbleitertechnik bringt nicht die maximale Leistung, wenn der Zusammenbau nicht optimal ist.“ Ob sich neue Ansätze durchsetzen würden, hänge aber zuletzt von ihrer Wirtschaftlichkeit ab.
Das Projekt von Chows Team sei von vorneherein auf Wirtschaftlichkeit angelegt, betont Jennifer Ernst, PARC-Direktorin für Geschäftsentwicklung: „Das neue Verfahren in Fertigungsabläufe integrieren zu können, hat oberste Priorität.“ Die Federbalken bestünden nur aus ein paar Metallschichten und seien mit herkömmlichen Ablagerungs- und Ätzverfahren herstellbar. Im Moment würde man sie noch im eigenen Labor produzieren. „Wir gehen aber davon aus, dass eine Produktion von großen Stückzahlen wettbewerbsfähig sein wird“, sagt Ernst.
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