Тонкие алмазные пленки - эффективное решение для охлаждения мощных силовых электронных приборов - «Наука и технологии»

Активные элементы силовой электроники, которые проводят через себя сильный электрический ток, никогда не бывают холодными. А когда множество маленьких компонентов объединяется на небольшом кристалле единственного чипа, то их нагрев в процессе работы может стать большой проблемой. Перегретый свыше оптимальной температуре полупроводниковый компонент тратит впустую достаточно большое количество энергии, его поведение становится непредсказуемым и, в конце концов, он даже может выйти из строя. Именно поэтому в современной электронике уделяется достаточно большое внимание различным технологиям охлаждения.

Проблема избыточного тепла становиться еще острей в случае полупроводниковых устройств, изготовленных из нитрида галлия. "Нитирид-галлиевые полупроводники способны работать при высоких напряжениях и проводить через себя большую мощность. Кроме этого, такие приборы являются одними из немногих, способных работать на высоких частотах и обеспечивать большую ширину полосы пропускания сигналов" - рассказывает Йонг Ен (Yong Han), ученый из института Микроэлектроники A*STAR, - "В нитрид-галлиевых транзисторах тепло обычно выделяется в объеме небольших локальных областей, что только увеличивает проблемы с охлаждением".

Йонг Ен и его коллеги продемонстрировали, что наиболее эффективным решением для отвода излишков тепла от кристаллов полупроводниковых приборов могут стать тонкие пленки из кристалла алмаза. На кристалле испытуемого полупроводникового прибора были искусственно созданы восемь крошечных "горячих точек", размер каждой из которых находился в диапазоне от 0.3 до 0.45 миллиметра. Кристалл был соединен с тонкой пленкой из высококачественного алмаза, полученного методом химического осаждения из паровой фазы. Второй конец пластины алмазной пленки был соединен с микрохолодильником, кристаллом из теплопроводящего материала, в котором были сделаны каналы, диаметром около одного микрометра, через которые проходила охлаждающая жидкость на основе воды.

Исследователи использовали два тестовых полупроводниковых кристалла, толщиной 100 и 200 микрометров, на каждом из которых выделялась в виде тепла мощность от 10 до 120 Ватт. В самом неблагоприятном случае алмазный слой и микрохолодильник смогли обеспечить температуру кристалла не выше 160 градусов Цельсия. Фактически температура кристалла была на 27.3 процента ниже, чем аналогичного кристалла, который охлаждался при помощи слоя меди, и на 40 процентов ниже, чем температура кристалла, не подвергаемого охлаждению.

Результаты, полученные в ходе экспериментов, были подтверждены результатами компьютерного моделирования. Это моделирование так же показало, что эффективность охлаждения может быть еще увеличена путем увеличения теплопроводящего алмазного слоя и путем обеспечения более качественного теплового контакта между нитрид-галлиевым полупроводником и алмазом.

"В будущем мы собираемся разработать конструкцию нового микрожидкостного холодильника, который сможет более эффективно и стабильно убирать тепло, передаваемое от полупроводникового кристалла алмазной пленкой" - рассказывает Йонг Ен, - "И такая система сможет стать компонентом, который будет интегрироваться на кристаллы как силовых полупроводниковых приборов, так и приборов общего назначения, таких, как процессоры современных компьютеров".