Novos materiais podem resfriar dispositivos de alta potência

Novos substratos podem ser mais eficazes do que o estado do estado materiais de gerenciamento térmico de arte em aplicações de alta densidade de potência.
O gerenciamento térmico rapidamente se tornou um dos problemas mais significativos que os engenheiros elétricos enfrentam. Conforme a densidade de potência dos eletrônicos aumentou, também aumentou a quantidade de energia térmica que eles geram. O alto desempenho requer materiais que possam absorver e dissipar esse calor, evitando danos aos componentes eletrônicos sensíveis e garantindo que operem com eficiência.

Normalmente, os fabricantes de eletrônicos com alta densidade de potência usam substratos como diamante ou carboneto de silício para gerenciar o calor gerado por semicondutores como transistores. Agora, os pesquisadores descobriram um novo material que extrai o calor dos pontos quentes com muito mais eficácia. Na prática, este material pode ajudar os fabricantes de eletrônicos a garantir melhorias perceptíveis no desempenho do dispositivo e na eficiência energética. Isso pode garantir o desenvolvimento contínuo de dispositivos eletrônicos mais rápidos e baratos.

O que significa melhor gerenciamento térmico para a indústria de eletrônicos de energia

Ao reduzir as geometrias dos transistores a escalas nanométricas, os fabricantes podem oferecer chips com alta densidade de transistores que melhoram o desempenho, mas também geram quantidades significativas de calor. Sem algum tipo de sistema de gerenciamento térmico, esses chips de computador superaquecerão, ficarão mais lentos e menos confiáveis. O estresse térmico também pode danificá-los com o tempo, resultando em falha prematura.

Observadores da indústria de eletrônicos sugeriram que a indústria deveria se preparar para o fim da Lei de Moore - a tendência da contagem de transistores dobrar a cada dois anos. Isso se deve principalmente ao crescente desafio que o gerenciamento de calor representa para engenheiros eletrônicos.

Um substrato térmico que oferece desempenho muito melhor do que os materiais de última geração pode garantir que a indústria eletrônica acompanhe os ganhos teóricos da Lei de Moore - continuando o crescimento na capacidade de processamento que esperamos nas últimas décadas.

Arsenieto de boro surge como substrato térmico potencial para semicondutores

Em 2018, pesquisadores da Universidade da Califórnia em Los Angeles (UCLA) e do Irvine Materials Research Institute, liderados pelo professor associado Yongjie Hu, desenvolveram arsenieto de boro (BA) livre de defeitos em seu laboratório. Suas descobertas determinaram que era muito mais eficaz do que os materiais semicondutores convencionais na extração e dissipação de calor.

Agora, pela primeira vez, a equipe de pesquisa demonstrou a eficácia prática do BA integrando-o diretamente a transistores de alta mobilidade de elétrons (HEMTs) baseados em nitreto de gálio de alta potência (GaN). As descobertas da equipe, publicadas em junho de 2021 na Nature Electronics, demonstraram como esses substratos podem ser mais eficazes do que os materiais de gerenciamento térmico de última geração em aplicações de alta densidade de potência.

Mais eficaz do que diamante ou carboneto de silício

Para avaliar o desempenho do gerenciamento térmico de GaN HEMTs com BAs, a equipe de pesquisa comparou essas estruturas a GaN HEMTs com dois substratos térmicos convencionais, diamante e carboneto de silício (SiC).

A uma densidade de potência de 15 watts por milímetro, o GaN HEMT com um substrato de arsenieto de boro viu o calor máximo aumentar da temperatura ambiente até 188 F. O GaN HEMT com escalonamento de serra de diamante de até 278 F, e o HEMT com um carboneto de silício substrato ambos viram crescimento de até cerca de 332 F.

De acordo com a equipe, os resultados demonstram que os dispositivos com substrato BAs podem sustentar uma potência operacional muito maior do que aqueles com substratos convencionais. Os pesquisadores atribuíram o desempenho aprimorado do substrato BAs à alta condutividade térmica do material e à baixa resistência térmica do limite. Quanto mais baixa for a resistência de um material, mais prontamente ele absorverá e dissipará o calor - ajudando a melhorar as habilidades de gerenciamento térmico.

A condutividade térmica dos BAs pode chegar a 1.300 watts por metro-kelvin (W / (m · K)), em comparação com os aproximadamente 2.300 W / (m · K) oferecidos pelo diamante. Uma condutividade térmica mais alta é melhor, mas uma resistência de limite térmico extremamente baixa significa que o material pode fornecer melhor desempenho em semicondutores de resfriamento.

Embora BAs contenham arsênio, o arsênico se torna estável e não tóxico quando incorporado em compostos como o arseneto de boro, de acordo com o Dr. Bing Lv. Lv é um professor e pesquisador de física da University of Texas at Dallas que também explorou o potencial do arsenieto de boro para gerenciamento térmico e liderou um dos primeiros grupos de pesquisa a sintetizar arsenieto de boro puro o suficiente para usar como substrato.

Como resultado, os BAs são considerados seguros para uso como carboneto de silício ou diamante em eletrônicos de alto desempenho. Além disso, BAs também podem ser sintetizados e processados ​​de forma relativamente barata, portanto, o custo de fabricação não deve ser uma barreira para a adoção do material.

Mesmo assim, mais pesquisas serão necessárias. Antes que os engenheiros possam se comprometer com um novo material como BAs, eles devem entender totalmente as propriedades eletrônicas do material e garantir que eles funcionem de acordo com as especificações. Ainda assim, é provável que, se a pesquisa continuar a demonstrar a eficácia do material, o arsenieto de boro possa ter um grande impacto na eletrônica em um futuro próximo.