Nuevos materiales podrían enfriar dispositivos de alta potencia

Los nuevos sustratos podrían ser más efectivos que los de última generación Materiales artísticos de gestión térmica en aplicaciones de alta densidad de potencia.

La gestión térmica se ha convertido rápidamente en uno de los problemas más importantes a los que se enfrentan los ingenieros eléctricos. A medida que ha aumentado la densidad de potencia de la electrónica, también lo ha hecho la cantidad de energía térmica que generan. El alto rendimiento requiere materiales que puedan absorber y disipar este calor, evitando daños a los componentes electrónicos sensibles y asegurando que funcionen de manera eficiente.

Normalmente, los fabricantes de productos electrónicos con alta densidad de potencia utilizan sustratos como el diamante o el carburo de silicio para gestionar el calor generado por semiconductores como los transistores. Ahora, los investigadores han descubierto un nuevo material que extrae el calor de los puntos calientes de forma mucho más eficaz. En la práctica, este material podría ayudar a los fabricantes de productos electrónicos a lograr mejoras notables en el rendimiento del dispositivo y la eficiencia energética. Puede garantizar el desarrollo continuo de dispositivos electrónicos más rápidos y económicos.

Qué significa una mejor gestión térmica para la industria de la electrónica de potencia

Al reducir las geometrías de los transistores a escalas nanométricas, los fabricantes pueden ofrecer chips con alta densidad de transistores que mejoran el rendimiento pero también generan cantidades significativas de calor. Sin algún tipo de sistema de gestión térmica, estos chips de computadora se sobrecalentarán, se ralentizarán y se volverán menos confiables. El estrés térmico también puede dañarlos con el tiempo, provocando fallas prematuras.

Los observadores de la industria electrónica han sugerido que la industria debería prepararse para el fin de la Ley de Moore - la tendencia del recuento de transistores a duplicarse cada dos años. Esto se debe principalmente al creciente desafío que plantea la gestión del calor para los ingenieros electrónicos.

Un sustrato térmico que ofrece un rendimiento mucho mejor que los materiales de vanguardia podría garantizar que la industria de la electrónica se mantenga al día con los avances teóricos de la Ley de Moore, continuando el crecimiento en la potencia de procesamiento que hemos llegado a esperar durante las últimas décadas.

El arseniuro de boro emerge como potencial sustrato térmico para semiconductores

En 2018, investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) y el Instituto de Investigación de Materiales de Irvine, dirigido por el profesor asociado Yongjie Hu, desarrollaron arseniuro de boro (BA) sin defectos en su laboratorio. Sus hallazgos determinaron que era mucho más eficaz que los materiales semiconductores convencionales para extraer y disipar el calor.

Ahora, por primera vez, el equipo de investigación ha demostrado la eficacia práctica de BA integrándolo directamente en transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) basados ​​en nitruro de galio (GaN) de alta potencia y vanguardia. Los hallazgos del equipo, publicados en junio de 2021 en Nature Electronics, demostraron cómo estos sustratos pueden ser más efectivos que los materiales de gestión térmica de última generación en aplicaciones de alta densidad de potencia.

Más eficaz que el diamante o el carburo de silicio

Para evaluar el rendimiento de la gestión térmica de GaN HEMT con BA, el equipo de investigación comparó estas estructuras con GaN HEMT con dos sustratos térmicos convencionales, diamante y carburo de silicio (SiC).

Con una densidad de potencia de 15 vatios por milímetro, el GaN HEMT con un sustrato de arseniuro de boro experimentó un aumento máximo de calor desde la temperatura ambiente hasta 188 F. el sustrato vio un crecimiento de hasta alrededor de 332 F.

Según el equipo, los resultados demuestran que los dispositivos con un sustrato BA pueden soportar una potencia operativa mucho mayor que aquellos con sustratos convencionales. Los investigadores atribuyeron el rendimiento mejorado del sustrato de BA a la alta conductividad térmica del material y la baja resistencia de los límites térmicos. Cuanto menor sea la resistencia de un material, más fácilmente absorberá y disipará el calor, lo que ayudará a mejorar la capacidad de gestión térmica.

La conductividad térmica de los BA puede alcanzar los 1.300 vatios por metro-kelvin (W / (m · K)), en comparación con los aproximadamente 2.300 W / (m · K) que ofrece el diamante. Una conductividad térmica más alta es mejor, pero una resistencia límite térmica extremadamente baja significa que el material puede proporcionar un mejor rendimiento en el enfriamiento de semiconductores.

Aunque los BA contienen arsénico, el arsénico se vuelve estable y no tóxico cuando se incorpora a compuestos como el arseniuro de boro, según el Dr. Bing Lv. Lv es un profesor de física e investigador de la Universidad de Texas en Dallas que también ha explorado el potencial del arseniuro de boro para el manejo térmico y encabezó uno de los primeros grupos de investigación en sintetizar arseniuro de boro lo suficientemente puro como para usarlo como sustrato.

Como resultado, los BA se consideran seguros de usar como carburo de silicio o diamante en la electrónica de alto rendimiento. Además, los BA también se pueden sintetizar y procesar a un precio relativamente bajo, por lo que el costo de fabricación no debería ser una barrera para la adopción del material.

Aun así, será necesaria más investigación. Antes de que los ingenieros puedan comprometerse con un material novedoso como los BA, deben comprender completamente las propiedades electrónicas del material y asegurarse de que funcionan según las especificaciones. Aún así, es probable que si la investigación continúa demostrando la efectividad del material, el arseniuro de boro podría tener un impacto importante en la electrónica en un futuro cercano.