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Wärme ist der Flaschenhals künftiger KI-Prozessoren. Trumpf präsentiert auf der Semicon Taiwan ein neues Verfahren auf Basis von Ultrakurzpulslasern (UKP), das Kühlstrukturen direkt in Halbleiter einarbeitet. Die Anwendung richtet sich an Hersteller, die auf Advanced Packaging setzen: also auf das Stapeln oder enge Verbinden mehrerer Chips, um mehr Rechenleistung auf kleiner Fläche zu erzielen.
Das Problem: Wärmeabfuhr im gestapelten Chip-Stack
Je dichter Chips gepackt werden, desto schwieriger wird die Kühlung. Konventionelle Kühlkonzepte stoßen bei gestapelten Architekturen an physikalische Grenzen. Wärme, die nicht effizient abgeführt wird, begrenzt die Taktfrequenz und die Lebensdauer der Bauelemente. Ohne Lösungen auf Chip-Ebene lassen sich die Leistungsziele der nächsten KI-Prozessorgenerationen nicht erreichen.
Bisherige Fertigungsansätze für Mikrokühlstrukturen in Halbleitern stützen sich auf chemische Ätzprozesse. Diese haben zwei Nachteile: Bei extrem harten Materialien wie Siliziumkarbid sind sie aufwendig. Und die erreichbare Geometriegenauigkeit ist begrenzt.
Das Verfahren: Mikrometergenauer Materialabtrag per UKP-Laser
Trumpf setzt Ultrakurzpulslaser ein. Diese arbeiten mit Pulsdauern im Piko- oder Femtosekundenbereich. Das Material wird verdampft, bevor Wärme in die Umgebung abgegeben werden kann. Ergebnis: scharfe Kanten, hohe Oberflächenqualität, kein thermischer Verzug.
Das Verfahren eignet sich für Siliziumkarbid und Diamant, beide Materialien sind im Halbleiterbereich für anspruchsvolle Wärmeleitanwendungen relevant. Trumpf gibt eine mindestens fünffach höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit im Vergleich zum Ätzen an, bei gleichzeitig hoher Oberflächenqualität und präziser Geometrie der Kühlstrukturen.
Flexibler Einsatz im Chip-Stack
Ein praktischer Vorteil des Laserverfahrens: Kühlstrukturen lassen sich an verschiedenen Stellen im Chip-Stack einbringen. Chiphersteller sind nicht auf eine feste Ebene festgelegt. Das gibt Konstrukteuren Spielraum bei der thermischen Auslegung komplexer Chip-Architekturen.
Relevanz für Halbleiterfertiger und Maschinenbau
Für Chiphersteller zählen zwei Parameter: Qualität und Produktivität. Das Trumpf-Verfahren adressiert beide. Die Laseranlage fertigt präziser als Ätzprozesse und deutlich schneller. Das senkt die Stückkosten bei gleichzeitig besserer Geometrietreue.
Für den Maschinenbau zeigt das Verfahren, dass UKP-Laser aus der Nische in serientaugliche Halbleiterprozesse vordringen. Trumpf hat das Know-how aus dem industriellen Laserschneiden und -abtragen auf einen neuen Markt übertragen: die Halbleiterproduktion auf Wafer-Ebene.
Der Markt für Advanced Packaging wächst, getrieben von der Nachfrage nach leistungsfähigen KI-Beschleunigern. Damit steigt auch der Bedarf an präzisen Fertigungsverfahren für thermische Managementlösungen auf Chip-Ebene. Trumpf positioniert sich mit diesem Verfahren als Ausrüster in einem Segment, das bislang von spezialisierten Halbleiterausrüstern dominiert wird.
Fazit
Das auf der Semicon Taiwan vorgestellte Laserverfahren von Trumpf löst ein konkretes Fertigungsproblem der Halbleiterindustrie. Wer Chips in gestapelten Architekturen betreibt oder fertigt, muss das thermische Management auf Chip-Ebene lösen. Trumpf liefert dafür einen industrietauglichen Prozess, der schneller und geometrisch präziser ist als etablierte Ätzverfahren. Ob das Verfahren in die Serienproduktion führender Chiphersteller einzieht, hängt von Qualifizierungsprozessen und Skalierbarkeit ab. Die technischen Grundlagen sind nach Unternehmensangaben gelegt.
