Новые материалы могут охлаждать мощные устройства

Новые подложки могут быть более эффективными, чем современные материалы для управления тепловым режимом art в приложениях с высокой плотностью мощности.

Управление температурным режимом быстро стало одной из самых серьезных проблем, с которыми сталкиваются инженеры-электрики. По мере увеличения плотности мощности электроники увеличивается и количество тепловой энергии, которую они вырабатывают. Для высокой производительности требуются материалы, которые могут втягивать и рассеивать это тепло, предотвращая повреждение чувствительных электронных компонентов и обеспечивая их эффективную работу.

Обычно производители электроники с высокой плотностью мощности используют такие подложки, как алмаз или карбид кремния, для управления теплом, выделяемым полупроводниками, такими как транзисторы. Теперь исследователи открыли новый материал, который намного эффективнее отводит тепло от горячих точек. На практике этот материал может помочь производителям электроники добиться заметных улучшений в производительности устройств и энергоэффективности. Это может обеспечить непрерывную разработку более быстрых и дешевых электронных устройств.

Что означает более эффективное управление температурным режимом для силовой электроники

Уменьшая геометрию транзисторов до нанометрового масштаба, производители могут предлагать микросхемы с высокой плотностью транзисторов, которые повышают производительность, но при этом выделяют значительное количество тепла. Без какой-либо системы терморегулирования эти компьютерные микросхемы будут перегреваться, замедляться и становиться менее надежными. Термическое напряжение также может со временем повредить их, что приведет к преждевременному выходу из строя.

Наблюдатели электронной промышленности предложили отрасли подготовиться к отмене закона Мура - тенденция к удвоению количества транзисторов каждые два года. Это в первую очередь связано с возрастающей проблемой управления теплом, которую ставят перед электронщиками.

Тепловая подложка, которая обеспечивает производительность намного лучше, чем самые современные материалы, может гарантировать, что электронная промышленность идет в ногу с теоретическими достижениями закона Мура, продолжая рост вычислительной мощности, который мы ожидаем за последние несколько десятилетий.

Арсенид бора становится потенциальным термическим субстратом для полупроводников

В 2018 году исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) и Ирвинского исследовательского института материалов под руководством доцента Юнцзе Ху разработали в своей лаборатории бездефектный арсенид бора (BA). Их результаты показали, что он намного эффективнее обычных полупроводниковых материалов в отводе и отводе тепла.

Теперь, впервые, исследовательская группа продемонстрировала практическую эффективность BA, интегрировав его непосредственно в ультрасовременные высокомощные транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) на основе нитрида галлия (GaN). Выводы команды, опубликованные в июне 2021 года в журнале Nature Electronics, продемонстрировали, что эти подложки могут быть более эффективными, чем современные материалы для регулирования температуры в приложениях с высокой плотностью мощности.

Более эффективен, чем алмаз или карбид кремния

Чтобы оценить характеристики терморегулирования GaN HEMT с BA, исследовательская группа сравнила эти структуры с GaN HEMT с двумя традиционными термическими подложками, алмазом и карбидом кремния (SiC).

При плотности мощности 15 Вт на миллиметр, GaN HEMT с подложкой из арсенида бора показал максимальное увеличение нагрева от комнатной температуры до 188 F. GaN HEMT с алмазной пилой увеличился до 278 F, а HEMT с карбидом кремния оба субстрата выросли примерно до 332 F.

По словам команды, результаты демонстрируют, что устройства с подложкой из BAs могут выдерживать гораздо более высокую рабочую мощность, чем устройства с обычными подложками. Исследователи объяснили улучшенные характеристики подложки BAs высокой теплопроводностью материала и низким сопротивлением тепловым границам. Чем ниже сопротивление материала, тем легче он будет втягивать и рассеивать тепло, что помогает улучшить возможности регулирования температуры.

Теплопроводность BA может достигать 1300 Вт на метр-кельвин (Вт / (м · К)) по сравнению с примерно 2300 Вт / (м · К), предлагаемыми алмазом. Чем выше теплопроводность, тем лучше, но чрезвычайно низкое тепловое граничное сопротивление означает, что этот материал может обеспечить лучшие характеристики при охлаждении полупроводников.

Хотя БА содержат мышьяк, мышьяк становится стабильным и нетоксичным при включении в такие соединения, как арсенид бора, по словам доктора Бинга Урв. Львов - профессор физики и исследователь из Техасского университета в Далласе, который также изучал потенциал арсенида бора для регулирования температуры и возглавлял одну из первых исследовательских групп, которые синтезировали арсенид бора, достаточно чистый для использования в качестве субстрата.

В результате BA считаются такими же безопасными для использования, как карбид кремния или алмаз в высокопроизводительной электронике. Кроме того, БА можно синтезировать и обрабатывать относительно дешево, поэтому стоимость производства не должна быть препятствием для принятия материала.

Даже в этом случае потребуются дополнительные исследования. Прежде чем инженеры смогут приступить к разработке нового материала, такого как BA, они должны полностью понять его электронные свойства и убедиться, что они соответствуют спецификациям. Тем не менее, вполне вероятно, что, если исследования продолжат демонстрировать эффективность материала, арсенид бора может оказать серьезное влияние на электронику в ближайшем будущем.