நவீன சில்லுகள் ஏன் சூடாகின்றன?

நானோ அளவிலான டிரான்சிஸ்டர்கள் கிகாஹெர்ட்ஸ் விகிதத்தில் மாறும்போது, ​​எலக்ட்ரான்கள் சுற்றுகள் வழியாக விரைந்து சென்று வெப்பமாக ஆற்றலை இழக்கின்றன - ஒரு மடிக்கணினி அல்லது தொலைபேசி அசௌகரியமாக சூடாகும்போது நீங்கள் உணரும் அதே வெப்பம். ஒரு சிப்பில் அதிக டிரான்சிஸ்டர்களை அடைப்பது அந்த வெப்பத்தை அகற்றுவதற்கு குறைவான இடத்தை விட்டுச்செல்கிறது. சிலிக்கான் வழியாக சமமாக பரவுவதற்கு பதிலாக, சுற்றியுள்ள பகுதிகளை விட பத்து டிகிரி வெப்பமாக இருக்கும் ஹாட்ஸ்பாட்களில் வெப்பம் குவிகிறது. சேதம் மற்றும் செயல்திறன் இழப்பைத் தவிர்க்க, வெப்பநிலை அதிகரிக்கும் போது அமைப்புகள் CPUகள் மற்றும் GPUகளைத் தடுக்கின்றன.

வெப்ப சவாலின் நோக்கம்

மினியேச்சர் செய்வதற்கான பந்தயமாகத் தொடங்கியது, இப்போது அனைத்து மின்னணு சாதனங்களிலும் வெப்பத்துடனான போராக மாறியுள்ளது. கணினிமயமாக்கலில், செயல்திறன் தொடர்ந்து மின் அடர்த்தியை அதிகப்படுத்துகிறது (தனிப்பட்ட சேவையகங்கள் பல்லாயிரக்கணக்கான கிலோவாட்களைப் பயன்படுத்தலாம்). தகவல்தொடர்புகளில், டிஜிட்டல் மற்றும் அனலாக் சுற்றுகள் இரண்டும் வலுவான சமிக்ஞைகள் மற்றும் வேகமான தரவுகளுக்கு அதிக டிரான்சிஸ்டர் சக்தியைக் கோருகின்றன. மின் மின்னணு சாதனங்களில், சிறந்த செயல்திறன் வெப்பக் கட்டுப்பாடுகளால் பெருகிய முறையில் வரையறுக்கப்படுகிறது.

ஒரு வித்தியாசமான உத்தி: சில்லுக்குள் வெப்பத்தைப் பரப்புதல்

வெப்பம் குவிய அனுமதிப்பதற்குப் பதிலாக, ஒரு நம்பிக்கைக்குரிய யோசனை என்னவென்றால்நீர்த்துப்போகச் செய்அது சிப்பிற்குள்ளேயே உள்ளது—ஒரு கப் கொதிக்கும் நீரை நீச்சல் குளத்தில் ஊற்றுவது போல. வெப்பம் உருவாகும் இடத்திலேயே பரவினால், வெப்பமான சாதனங்கள் குளிர்ச்சியாக இருக்கும், மேலும் வழக்கமான குளிர்விப்பான்கள் (வெப்ப மூழ்கிகள், மின்விசிறிகள், திரவ சுழல்கள்) மிகவும் திறம்பட செயல்படுகின்றன. இதற்கு ஒருஉயர் வெப்ப கடத்துத்திறன், மின் காப்புப் பொருள்செயலில் உள்ள டிரான்சிஸ்டர்களின் நுட்பமான பண்புகளைத் தொந்தரவு செய்யாமல் நானோமீட்டர்களை மட்டுமே ஒருங்கிணைத்தது. எதிர்பாராத வேட்பாளர் இந்த மசோதாவுக்குப் பொருந்துகிறார்:வைரம்.

ஏன் வைரம்?

வைரமானது அறியப்பட்ட சிறந்த வெப்பக் கடத்திகளில் ஒன்றாகும் - தாமிரத்தை விட பல மடங்கு உயர்ந்தது - அதே நேரத்தில் மின் மின்கடத்தா பொருளாகவும் செயல்படுகிறது. பிடிப்பு ஒருங்கிணைப்பு ஆகும்: வழக்கமான வளர்ச்சி முறைகளுக்கு 900–1000 °C அல்லது அதற்கு மேற்பட்ட வெப்பநிலை தேவைப்படுகிறது, இது மேம்பட்ட சுற்றுகளை சேதப்படுத்தும். சமீபத்திய முன்னேற்றங்கள் மெல்லியதாகக் காட்டுகின்றனபாலிகிரிஸ்டலின் வைரம்படலங்களை (சில மைக்ரோமீட்டர் தடிமன் மட்டுமே) வளர்க்கலாம்மிகக் குறைந்த வெப்பநிலைமுடிக்கப்பட்ட சாதனங்களுக்கு ஏற்றது.

இன்றைய குளிர்விப்பான்கள் மற்றும் அவற்றின் வரம்புகள்

பிரதான நீரோட்டக் குளிரூட்டல் சிறந்த வெப்ப மூழ்கிகள், மின்விசிறிகள் மற்றும் இடைமுகப் பொருட்களில் கவனம் செலுத்துகிறது. ஆராய்ச்சியாளர்கள் மைக்ரோஃப்ளூயடிக் திரவக் குளிரூட்டல், கட்ட-மாற்றப் பொருட்கள் மற்றும் வெப்பக் கடத்தும், மின் காப்பு திரவங்களில் சேவையகங்களை மூழ்கடித்தல் ஆகியவற்றையும் ஆராய்கின்றனர். இவை முக்கியமான படிகள், ஆனால் அவை பருமனானவை, விலை உயர்ந்தவை அல்லது வளர்ந்து வரும்3D-அடுக்குபல சிலிக்கான் அடுக்குகள் ஒரு "வானளாவிய கட்டிடம்" போல செயல்படும் சிப் கட்டமைப்புகள். அத்தகைய அடுக்குகளில், ஒவ்வொரு அடுக்கும் வெப்பத்தை வெளியேற்ற வேண்டும்; இல்லையெனில் ஹாட்ஸ்பாட்கள் உள்ளே சிக்கிக் கொள்ளும்.

சாதனங்களுக்கு ஏற்ற வைரத்தை எவ்வாறு வளர்ப்பது

ஒற்றை-படிக வைரம் அசாதாரண வெப்ப கடத்துத்திறன் கொண்டது (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, தாமிரத்தை விட ஆறு மடங்கு). எளிதாக தயாரிக்கக்கூடிய பாலிகிரிஸ்டலின் படலங்கள் போதுமான அளவு தடிமனாக இருக்கும்போது இந்த மதிப்புகளை அணுகலாம் - மேலும் மெல்லியதாக இருந்தாலும் கூட தாமிரத்தை விட உயர்ந்தவை. பாரம்பரிய வேதியியல் நீராவி படிவு அதிக வெப்பநிலையில் மீத்தேன் மற்றும் ஹைட்ரஜனை வினைபுரிந்து, செங்குத்து வைர நானோ தூண்களை உருவாக்குகிறது, அவை பின்னர் ஒரு படலமாக இணைகின்றன; அந்த நேரத்தில் அடுக்கு தடிமனாகவும், அழுத்தமாகவும், விரிசல் ஏற்பட வாய்ப்புள்ளது.
குறைந்த வெப்பநிலை வளர்ச்சிக்கு வேறுபட்ட செய்முறை தேவைப்படுகிறது. வெப்பத்தை குறைப்பதன் மூலம் வைரத்தை காப்பிடுவதற்கு பதிலாக கடத்தும் புகை உருவாகிறது. அறிமுகப்படுத்துகிறோம்.ஆக்ஸிஜன்தொடர்ந்து வைரம் அல்லாத கார்பனைப் பொறிக்கிறது, இதனால்~400 °C வெப்பநிலையில் பெரிய தானிய பாலிகிரிஸ்டலின் வைரம், மேம்பட்ட ஒருங்கிணைந்த சுற்றுகளுடன் இணக்கமான வெப்பநிலை. அதேபோல் முக்கியமாக, இந்த செயல்முறை கிடைமட்ட மேற்பரப்புகளை மட்டுமல்ல,பக்கச்சுவர்கள், இது இயல்பாகவே 3D சாதனங்களுக்கு முக்கியமானது.

வெப்ப எல்லை எதிர்ப்பு (TBR): ஃபோனான் சிக்கல்

திடப்பொருட்களில் வெப்பம் இதனால் கொண்டு செல்லப்படுகிறதுஃபோனான்கள்(அளவிடப்பட்ட லேட்டிஸ் அதிர்வுகள்). பொருள் இடைமுகங்களில், ஃபோனான்கள் பிரதிபலிக்கவும் குவியவும் முடியும், இதனால்வெப்ப எல்லை எதிர்ப்பு (TBR)இது வெப்ப ஓட்டத்தைத் தடுக்கிறது. இடைமுகப் பொறியியல் TBR ஐக் குறைக்க முயல்கிறது, ஆனால் தேர்வுகள் குறைக்கடத்தி இணக்கத்தன்மையால் வரையறுக்கப்பட்டுள்ளன. சில இடைமுகங்களில், இடைக்கலவை ஒரு மெல்லியசிலிக்கான் கார்பைடு (SiC)இருபுறமும் ஃபோனான் நிறமாலையை சிறப்பாகப் பொருத்தும் அடுக்கு, ஒரு "பாலமாக" செயல்பட்டு TBR ஐக் குறைக்கிறது - இதனால் சாதனங்களிலிருந்து வைரத்திற்கு வெப்பப் பரிமாற்றத்தை மேம்படுத்துகிறது.

ஒரு சோதனைப் படுக்கை: GaN HEMTகள் (ரேடியோ-அதிர்வெண் டிரான்சிஸ்டர்கள்)

2D எலக்ட்ரான் வாயுவில் காலியம் நைட்ரைடு கட்டுப்பாட்டு மின்னோட்டத்தை அடிப்படையாகக் கொண்ட உயர்-எலக்ட்ரான்-இயக்க டிரான்சிஸ்டர்கள் (HEMTகள்) மற்றும் உயர்-அதிர்வெண், உயர்-சக்தி செயல்பாட்டிற்காக (X-band ≈8–12 GHz மற்றும் W-band ≈75–110 GHz உட்பட) பாராட்டப்படுகின்றன. மேற்பரப்புக்கு மிக அருகில் வெப்பம் உருவாக்கப்படுவதால், அவை எந்த இடத்திலேயே வெப்பம் பரவும் அடுக்கின் சிறந்த ஆய்வாகும். மெல்லிய வைரம் சாதனத்தை - பக்கச்சுவர்கள் உட்பட - இணைக்கும்போது - சேனல் வெப்பநிலை குறைவது கவனிக்கப்படுகிறது.~70°C, அதிக சக்தியில் வெப்ப ஹெட்ரூமில் கணிசமான முன்னேற்றங்களுடன்.

CMOS மற்றும் 3D அடுக்குகளில் வைரம்

மேம்பட்ட கணினிமயமாக்கலில்,3D ஸ்டாக்கிங்ஒருங்கிணைப்பு அடர்த்தி மற்றும் செயல்திறனை அதிகரிக்கிறது, ஆனால் பாரம்பரிய, வெளிப்புற குளிர்விப்பான்கள் குறைவான செயல்திறன் கொண்டவையாக இருக்கும் உள் வெப்ப இடையூறுகளை உருவாக்குகிறது. சிலிக்கானுடன் வைரத்தை ஒருங்கிணைப்பது மீண்டும் ஒரு நன்மை பயக்கும்SiC இடை அடுக்கு, உயர்தர வெப்ப இடைமுகத்தை அளிக்கிறது.
முன்மொழியப்பட்ட ஒரு கட்டமைப்பு என்பதுவெப்ப சாரக்கட்டு: மின்கடத்தாவுக்குள் டிரான்சிஸ்டர்களுக்கு மேலே பதிக்கப்பட்ட நானோமீட்டர்-மெல்லிய வைரத் தாள்கள், இணைக்கப்பட்டுள்ளனசெங்குத்து வெப்ப வழித்தடங்கள் ("வெப்ப தூண்கள்")செம்பு அல்லது கூடுதல் வைரத்தால் ஆனது. இந்த தூண்கள் வெளிப்புற குளிரூட்டியை அடையும் வரை அடுக்கிலிருந்து அடுக்கிற்கு வெப்பத்தை கடத்துகின்றன. யதார்த்தமான பணிச்சுமைகளைக் கொண்ட உருவகப்படுத்துதல்கள், இத்தகைய கட்டமைப்புகள் உச்ச வெப்பநிலையைக் குறைக்க முடியும் என்பதைக் காட்டுகின்றன.அளவு வரைகருத்துருவின் சான்று அடுக்குகளில்.

என்ன கடினமாக உள்ளது

வைரத்தின் மேல் மேற்பரப்பை உருவாக்குவது முக்கிய சவால்களில் அடங்கும்.அணு ரீதியாக தட்டையானதுமேலுள்ள இடைத்தொடர்புகள் மற்றும் மின்கடத்தாப் பொருட்களுடன் தடையற்ற ஒருங்கிணைப்பு மற்றும் சுத்திகரிப்பு செயல்முறைகளுக்கு, மெல்லிய படலங்கள் அடிப்படை சுற்றுகளை அழுத்தாமல் சிறந்த வெப்ப கடத்துத்திறனைப் பராமரிக்கின்றன.

அவுட்லுக்

இந்த அணுகுமுறைகள் தொடர்ந்து முதிர்ச்சியடைந்தால்,இன்-சிப் வைர வெப்ப பரவல்CMOS, RF மற்றும் பவர் எலக்ட்ரானிக்ஸ் ஆகியவற்றில் வெப்ப வரம்புகளை கணிசமாக தளர்த்த முடியும் - வழக்கமான வெப்ப அபராதங்கள் இல்லாமல் அதிக செயல்திறன், அதிக நம்பகத்தன்மை மற்றும் அடர்த்தியான 3D ஒருங்கிணைப்பை அனுமதிக்கிறது.