Weltweit erster IPC, der passiv mit Gold gekühlt wird
EFCO, Spezialist für lüfterlose Hochleistungsrechner für Bildverarbeitung und Automation, stellt erstmals einen rundum vergoldeten IPC vor und verbessert damit die natürliche Ableitung der Verlustwärme an die Umgebungsluft um Größenordnungen. Dank der besonderen nanokristallinen Eigenschaften von elementarem Gold reicht dafür eine nur rund 2.000 Atomlagen dicke Schicht des Edelmetalls.
Der Mehrpreis liegt dementsprechend in der Größenordnung des eingesparten Lüfters und ist damit nahezu kostenneutral. Erste Muster wurden bereits in industriellen Anwendungen getestet und haben sich im Dauereinsatz bis +125 °C bewährt. Mit dieser Innovation ist der Einsatz von IPCs nun auch in Hochtemperaturanwendungen möglich.
Passiv gekühlte Industrierechner verwenden in der Regel mehrere Millimeter dicke Aluminiumgehäuse, um die Wärme an die Umgebungsluft abzugeben. Das Problem dabei: Aluminium bildet in einem natürlichen Prozess in kurzer Zeit eine Oxidschicht, die den Wärmetransport stark behindert. Zwar kann man die Bildung dieser Oxidschicht technisch verhindern und zudem die Oberfläche des Aluminiums durch Eloxieren vergrößern; die Effekte beider Maßnahmen bleiben aber deutlich hinter der Wärmetransportleistung eines Goldgehäuses zurück.
Ein weiterer Vorteil des von EFCO entwickelten Gehäuses ist, dass eine deutlich geringere Temperaturspreizung zwischen der Oberflächentemperatur des Gehäuses und der der Chips ausreicht. Während bei herkömmlicher, rein passiver Kühlung über ein Aluminiumgehäuse eine Temperaturdifferenz von ca. 40 K erforderlich ist, sinkt die erforderliche Spreizung bei Gold auf unter 10 K. Das bedeutet, dass die Chips im Goldgehäuse bei einer Umgebungstemperatur von +95 °C die gleichen Sperrschichttemperaturen erreichen wie im Aluminiumgehäuse bei +65 °C.
Die hervorragende Wärmeleitfähigkeit von Gold beruht auf dem kubisch-flächenzentrierten Raumgitter der Kristalle, das zu den dichtesten Kugelpackungen überhaupt gehört. Die zugrunde liegenden nanokristallinen Effekte von Gold sind in der Physik noch nicht vollständig verstanden. Es ist jedoch seit langem bekannt, dass viele Eigenschaften von elementarem Gold durch eine hauchdünne Goldschicht erreicht werden können. EFCO verwendet daher eine folienartige Vergoldung mit einer Dicke von etwa 2.000 Atomlagen, was etwa 100 Nanometern entspricht. Das ist etwa ein Zehntel der Wellenlänge von rotem Licht. Im Auflicht erscheinen diese Goldfolien daher goldglänzend, während sie im Durchlicht blaugrün durchscheinen.
Technisch ist es jedoch nicht möglich, diese dünnen Schichten auf leichte, meist unedle Metalle aufzubringen, da das Gold in kurzer Zeit in das unedlere Metall eindiffundieren würde und die Eigenschaften der Goldschicht verloren gingen. Daher muss zunächst eine Sperrschicht, z.B. aus Nickel, aufgebracht werden. Da sich die üblichen Kühlkörper aus Aluminium jedoch nicht gut vernickeln lassen, wird in der Praxis zunächst das Aluminiumgehäuse von seiner Oxidschicht befreit und anschließend galvanisch verkupfert. Auf die Kupferschicht wird das Nickel aufgebracht – und darauf die Goldschicht. Da Kupfer auch eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium besitzt, verstärkt die Kupferschicht den Effekt der lüfterlosen Kühlung durch die Vergoldung zusätzlich.
Gold reagiert kaum mit anderen Elementen. Deshalb bleibt der edle Goldschimmer auf der Gehäuseoberfläche der neuen Industrierechner von EFCO über Jahrzehnte erhalten. Auch im industriellen Alltag vorkommende Stoffe wie Kühlschmierstoffe, Lösungs- und Reinigungsmittel oder abrasive Dämpfe können der Goldoberfläche kaum etwas anhaben.
Problematisch sind jedoch tiefe Kratzer, bei denen die Nickelschicht teilweise abgetragen wird. Durch das fehlende Nickel kann das Gold in das unedlere Kupfer eindiffundieren, was nicht nur optisch unbefriedigend ist, sondern auch die Möglichkeiten der rein passiven Wärmeableitung deutlich einschränkt. Aus der Kontakttechnik sind jedoch Reparaturmöglichkeiten bekannt, die die Nickelschicht wieder ergänzen und damit die positive Wirkung der Goldschicht dauerhaft erhalten.
