Микрочипы с алмазным охлаждением увеличили плотность мощности в 3,3 раза
Компания Northrop Grumman получила контракт DARPA на сумму 7 миллионов долларов для разработки микрочипов с использованием алмаза, способных работать при значительно более высокой мощности без перегрева. Проект реализуется в рамках второго этапа программы THREADS, посвящённой разработке технологий отвода тепла непосредственно на уровне электронных устройств.
Одной из главных проблем современных высокомощных радиочастотных микросхем остаётся нагрев. По мере того как электронные устройства становятся компактнее, всё больше мощности приходится размещать на небольшой площади. Из-за этого инженерам часто приходится ограничивать производительность компонентов, чтобы предотвратить их повреждение или преждевременный выход из строя.
Northrop Grumman планирует интегрировать алмаз непосредственно в структуру полупроводниковых устройств. Алмазные элементы должны отводить тепло от микроскопических участков с наиболее высокой температурой внутри мощных радиочастотных схем.
Алмаз обладает исключительно высокой теплопроводностью. По данным компании, он способен проводить тепло примерно в пять раз быстрее меди. Это может позволить микрочипам работать при более высокой мощности, не достигая критических температур.
Технология предназначена для систем, в которых особенно важны мощность и компактность. Среди возможных применений называются военные системы связи, радиолокационные станции и спутниковые каналы связи.
Инженеры Microelectronics Center компании разработали методы размещения микроскопических алмазных структур непосредственно внутри полупроводниковых устройств. Northrop Grumman сотрудничает в этом направлении со Стэнфордским университетом. В рамках разработанной технологии алмаз выращивается на обратной стороне микросхемы и внутри микроскопических каналов.
Эти каналы создают прямой путь для отвода тепла из областей, где температура может быстро повышаться. Компания уже провела испытания полупроводниковых устройств с алмазными элементами при высокой мощности и заявила, что их результаты подтвердили перспективность такого подхода.
Сегодня одним из основных материалов для мощных и радиочастотных устройств остаётся нитрид галлия. Однако даже такие компоненты сталкиваются с тепловыми ограничениями, особенно при попытке увеличить мощность без увеличения размеров электроники.
На первом этапе программы THREADS Northrop Grumman удалось увеличить плотность мощности устройств в 3,3 раза. Этот показатель отражает количество электрической мощности, которое можно разместить на определённой площади.
В рамках второго этапа компания намерена увеличить плотность мощности ещё более чем в три раза. В случае успеха технология позволит создавать значительно более мощные радиочастотные передатчики без пропорционального увеличения размеров электронных систем.
Это особенно важно для военной техники, где повышение мощности одновременно создаёт проблемы с охлаждением и размещением оборудования. Более компактные и мощные микрочипы могут найти применение в будущих военных спутниках, радиолокационных системах и средствах связи, которым приходится длительное время работать в сложных условиях.
Northrop Grumman занимается исследованиями технологий отвода тепла с использованием алмаза с 2019 года. Программа THREADS должна помочь приблизить эту разработку к практическому производству полупроводников.
Компания также заявила, что её модель открытого доступа к производственным мощностям может сделать новую технологию доступной для более широкого круга участников американской микроэлектронной отрасли.
Следующий этап исследований должен показать, насколько алмазное охлаждение, встроенное непосредственно в полупроводниковую структуру, позволит расширить возможности высокомощной электроники.