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Direct-Die auf die Spitze getrieben und Silizium-Deckschicht abgeschliffen

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direct-die-frameBei den aktuellen Intel-Prozessoren lohnt es sich den Heatspreader zu entfernen und die von Intel verwendete Wärmeleitpaste gegen Flüssigmetall zu tauschen – zumindest, wenn es auf jedmögliche Reduzierung der Temperatur ankommt. Der Skylake-X Direct Die Frame ermöglicht das einfache Entfernen des Heatspreaders.

Roman Hartung alias der8auer geht nun einen Schritt weiter und entfernt nicht nur den Heatspreader, sondern schleift den Die auch etwas an, um den Wärmeübergang zu verbessern. Motivation hinter der Aktion ist das Verhalten unter extremen Kühlbedingungen. Der flüssige Stickstoff kühlt die Oberfläche samt Kühlpaste auf mehr als -150 °C. Kommt nun Last auf den Prozessor, erwärmt sich das Silizium sehr schnell auf, dehnt sich aber anders aus, als dies die Wärmeleitpaste tut. Dieses Verhalten sorgt dafür, dass der Wärmeübergang nicht mehr ideal ist. Ein Anrauen der Oberfläche kann diesen Effekt nicht verhindern und so stellt sich die Frage was passiert, wenn man die oberste Schicht des Dies entfernt.

Der eigentliche Prozessor sitzt auf einer Platine. Der Die selbst ist nicht gleichmäßig dick. Seine Dicke bewegt sich im Falle des von Roman verwendeten Core i9-7920X zwischen 3,714 und 3,674 mm. Auch diese Unebenheiten gilt es zu beseitigen. Wichtigster Grund für den Versuch aber war es einige der obersten Schichten zu entfernen, um damit auch den Wärmeübergang zu verbessern. Aufgrund des Aufbaues eines solchen Dies stellt dies kein Problem dar, denn weite Teile des eigentlichen Prozessors bestehen aus dem Siliziumkristall und sind nicht als Halbleiter dotiert oder bei der Fertigung belichtet worden – enthalten also keinerlei logische Elemente bzw. Transistoren.

Letztendlich hat Roman etwa 10 % der Dicke des Siliziums abgetragen. Darunter war auch eine Siliziumnitrid-Schicht, die als Diffussionsschutz dient. Nichts soll in das Atomgitter des Siliziums eindringen können, daher tragen die Chiphersteller eine solche Schicht auf. Diese wurde nun entfernt und kann den Die nicht mehr schützen.

Der Prozessor war weiterhin funktionsfähig und die erhobenen Messwerte sind erstaunlich. Im Schnitt kann die Temperatur um fast 5 °C reduziert werden. Der wärmste Kern wurde um 2 °C kühler und der kälteste um 5 °C. Damit hat das Abschleifen einen positiven Effekt auf die Kühlung.

Allerdings sind die Langzeitfolgen des Abschleifens unbekannt. Die fehlende Diffussionsschicht könnte negative Auswirkungen auf die Langlebigkeit haben. In der Zukunft plant Roman den Die noch weiter anzuschleifen, um zu untersuchen, wie weit man dabei gehen kann.

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Kommentare (27)

#18
Registriert seit: 01.08.2017
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Bin auf jedenfall gespannt auf den Ncore V1 DirectDie Kühlblock.
Ncore V1: CPU-Wasserkühler für geköpfte Coffee Lakes ohne Heatspreader

Das geht zumindest in eine alltagstaugliche Richtung
#19
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Mit besserem oder schlechterem Ergebnis als mit nem Wasserkühler?
#20
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Zitat Sir Diablo;26341219
Bauteile auf PCB isolieren, und Wasser direkt über die Die laufen lassen, wurde sowas früher schon Mal gemacht?


Es wurde sowohl die direkte Kühlung des Dies als auch das Fräsen von Kühlrippen in den IHS definitiv schon gemacht. Hab auch die schnelle leider keine Links dazu gefunden. Das Ergebnis war erstaunlich gut.

EDIT:
Zum Beispiel sowas hier: Watercooling direct die, impression 3D et fixation intra-socket - Water Modding - FORUM HardWare.fr
#21
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Vizeadmiral
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Wtf... will nit wissen wie viele CPUs/PCs bei solchen Aktionen schon geschrottet wurden :D
#22
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Joa, durch den harten Wasserstrahl auf den Die wird früher oder später die Cpu getötet, einfach weil das Wasser das Silizium langsam aber stetig abträgt ;)
#23
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Kapitän zur See
Beiträge: 3133
Glaube, dass das deutlich länger als die übliche Nutzungsdauer dauert bis das Silizium "weggewaschen" ist, notfalls Silberlack auf die Die, als Schutz.
#24
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Oberbootsmann
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Zitat SlotkuehlerXXL;26338098
Wenn ich schon sehe dass da wieder per Hand versucht wurde die Fläche zu planen zweifel ich wieder alles an. Absolut unmöglich per Hand gleichmäßg so etwas eben zu bekommen in diesen Dimensionen! ungleichmäßiger Druck mit dem Fingerchen und die Kraft geht immer vom Körper weg wenn der Finger schräg aufgesetzt ist. Da hilft eine schlechte 8 Bewegung auch nichts.
Wie gemessen wurde passt auch nicht wirklich, schließlich ist auch die Rückseite mit den Kontakten nicht absolut gleichhoch, da werden die Unterschiede an den Kontakten wohl noch wesentlich höher sein als auf der Glasoberfläche! Um die wirkliche Die dicke pzw. planheit zu bestimmen hätte man die CPU fest einbauen müssen und von einem definierten Punkt dann die Höhe bestimmen müssen. Und die Bügelmessschraube, nun ja, der Hersteller gibt gerade bei dem "billigen" Modell kein Tolleren an, wird seine Gründe haben. Der Bauer mag zwar etwas abgeschliffen haben und etwas gemessen aber das war´s dann auch schon. Wer misst misst Mist und wer schleift plant noch lange nicht.


Das kommt doch ziemlich stark auf die Toleranz an. Wie man im Video vom Roman sieht, konnte er doch ziemlich gut Material in der Mitte abtragen. Das ist auf jedenfall um welten besser, wie der Zustand vor dem schleifen.
Und wie kommst du auf die Idee, dass man das von Hand nicht eben bekommt, oder diese Präzision nicht erreicht? Ich kann dir als Industriemechaniker sagen, dass ich mit einer groben 300mmH1 Feile ohne Probleme im hunderstel Millimeter bereich feilen kann. Das ist alles nur eine Sache der Übung.
Danach wird ein Haarwinkel angesetzt und man sieht höchstens noch Licht an den Stellen durchdringen, wo sich evtl Riefen der Feilenzähne befanden.

Und noch ganz nebenbei, das Schleifpapier ist schon absolut eben! Er braucht also nur darauf achten, dass er nicht kippelt.
Und das Ergebnis im Video(alleine schon Optisch) spricht doch schon für sich. Das Material wurde sehr schön zentral abgetragen, genau dort wo der Buckel war. Das ist mehr als nur eine kleine verbesserung zu vorher..... zusätzlich sein noch erwähnt, dass die komplette zu schleifende Fläche aufliegt, einzelne Bereiche lassen sich so also gar nicht überschleifen(es sei denn man kippelt/ liegt schräg auf). Ist ja nicht wie bei einem Holzboden, wo man mit einem Schleifgerät immer nur kleine Teile der fläche bearbeitet.
#25
customavatars/avatar132713_1.gif
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Leutnant zur See
Beiträge: 1093
Zitat Mo3Jo3;26341292
Bin auf jedenfall gespannt auf den Ncore V1 DirectDie Kühlblock.
Ncore V1: CPU-Wasserkühler für geköpfte Coffee Lakes ohne Heatspreader


das ist tatsächlich mal was neues (zumindest hab ich sowas noch nicht gesehen)

BTT: Kann man mit der Vario-Technik von AC nicht das Abschleifen umgehen :confused:
#26
Registriert seit: 15.02.2012

Stabsgefreiter
Beiträge: 320
Das Problem bei Direct-Die-Wasserkühlung war damals (beim Pentium 3 Coppermine), dass sich der Die nach einigen Tagen/Wochen Benutzung vom PCB gelöst hat. Es fehlt ganz einfach der Anpressdruck von oben. Wasser kann zwischen Kleber und PCB eindringen und zerstört somit die CPU. Da es im Grunde genommen heute nicht anders ist, sind die Gefahren geblieben. Kapillarkräfte kann man nicht abschalten.
#27
Registriert seit: 01.08.2017
ganz im Westen
Oberbootsmann
Beiträge: 920
Beim Ncore kommt gar kein Wasser mit der CPU in berührung. Die CPU wird zusammen mit dem Block in der Sockelhalterung eingespannt. Der Anpressdruck ist also gleich, wie mit dem Stock Heatspreader.

Was mich hier bei Romans Beispiel aber auf jedenfall wundert, ist warum der Die überhaupt gewölbt ist. Der wird doch normal aus einem ebenen Wafer ausgeschnitten. Dass die wölbung danach ohne Bruch entstanden ist, kann ich kaum glauben.
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