Novi način gledanja topline kako se kreće kroz elektroniku

Isti problem pregrijavanja koji se događa s našim prijenosnim računalima muči i računalne servere i podatkovne centre diljem svijeta, a upravljanje toplinom postaje sve teže kako računalni čipovi postaju sve kompaktniji i snažniji.

Razumijevanje kako se toplina kreće kroz čipove na mikrorazini ključno je za daljnje poboljšanje njihovih performansi. Nažalost, većina metoda za mjerenje toplinskog toka ima poteškoća s višeslojnim uređajima poput elektronike koja pokreće naš moderni svijet.

Istraživači s MIT-a sada su demonstrirali novi način proučavanja kretanja topline kroz višeslojne materijale, kombinirajući rendgenske zrake koje prodiru kroz više slojeva s laserskim impulsima za isporuku topline. Istraživači su koristili tehniku ​​za mjerenje kretanja topline unutar obećavajućeg uređaja za tranzistore i fleksibilnu elektroniku.

Metoda je bila toliko precizna da je istraživačima omogućila kvantificiranje učinka defekta veličine jednog mikrona u uređaju, otkrivajući iznenađujuće četverostruko smanjenje sposobnosti materijala da prenosi toplinu na tom mjestu. Također su otkrili da defekt uzrokuje neravnomjerno širenje topline, lakše se krećući u jednom smjeru nego u drugom.

Tim vjeruje da bi pristup mogao pomoći istraživačima da razumiju pregrijavanje u uređajima i pomoći tvrtkama da razviju elektroniku veće gustoće energije za sve, od AI aplikacija do nosivih uređaja i sustava čiste energije.

„Razvojnim developerima čipova potrebni su uređaji koji mogu podnijeti toplinu“, kaže Mingda Li, izvanredni profesor nuklearne znanosti i inženjerstva na MIT-u i suautor rada otvorenog pristupa o ovom radu u časopisu Nature Communications. 

„Mislim da je pregrijavanje postalo pravo usko grlo u performansama uređaja. Prilikom provođenja ovih dijagnoza tradicionalnim tehnikama, nisu mogli doći do mikro- ili nanometarske skale. Ali na kraju bi željeli ići dalje od toga kako bi proučili nosače topline i točno razumjeli što uzrokuje kvar, kako bi izbjegli lokalna žarišta i dizajnirali bolje uređaje. Ovaj pristup je korak u tom smjeru.“

Kako bi se riješila ta ograničenja, istraživači su željeli stvoriti nešto što bi moglo mjeriti prijenos topline na nanoskali u višeslojnim sustavima. U tu svrhu koristili su novu tehniku ​​analize koja šalje elektronske impulse i ultrabrze rendgenske zrake na materijal i mjeri promjene energije.

Tehnika je ponudila bolji pogled na prijenos topline jer laserski pokretani elektronski puls može uhvatiti promjene u naprezanju materijala na atomskoj razini, dok rendgenske zrake mogu prodrijeti u više slojeva materijala, a mjerenja se mogu kombinirati kako bi se dobio jasniji pogled na to kako materijal prenosi toplinu.

Istraživači su primijenili svoju tehniku ​​na ispitni uređaj izrađen od sloja galijevog nitrida, koji se pokazao obećavajućim za učinkovito provođenje topline, na vrhu silicija. Kombinacija materijala proučava se godinama, ali pokazalo se da se njezine toplinske performanse pogoršavaju zbog sitnih nedostataka nastalih tijekom obrade.

Istraživači su izmjerili četverostruko smanjenje rasipanja topline preko naboranog defekta na uređaju i 25-postotni pad rasipanja topline na materijalima, što pokazuje veći poremećaj protoka topline nego što su očekivali.

„Kada ljudi modeliraju disipaciju topline, modeliraju savršene kristale bez defekata“, kaže Li. „Ali ove vrste velikih defekata u obliku bora vrlo su česte u 2D materijalima. Ljudi nikada nisu ni znali koliko topline blokiraju ti bore. To su stvari koje sada možemo izravno promatrati ovom tehnikom.“

Li kaže da je vodeći konzorcij poluvodičke industrije već kontaktirao stručnjake za suradnju na primjeni tehnike mjerenja za proučavanje različitih vrsta čipova. Vjeruje da će tehnika funkcionirati za proučavanje širokog spektra materijala i uređaja.