새로운 재료로 고전력 장치를 냉각할 수 있음

새로운 기판은 최신 기술보다 더 효과적일 수 있습니다. 고전력 밀도 응용 분야의 예술 열 관리 재료.

열 관리는 전기 엔지니어가 직면한 가장 중요한 문제 중 하나가 되었습니다. 전자 장치의 전력 밀도가 증가함에 따라 발생하는 열 에너지의 양도 증가했습니다. 고성능을 위해서는 이 열을 끌어들이고 발산하여 민감한 전자 부품의 손상을 방지하고 효율적으로 작동할 수 있는 재료가 필요합니다.

일반적으로 전력 밀도가 높은 전자 제품 제조업체는 다이아몬드 또는 탄화규소와 같은 기판을 사용하여 트랜지스터와 같은 반도체에서 발생하는 열을 관리합니다. 이제 연구원들은 핫스팟에서 훨씬 더 효과적으로 열을 끌어내는 새로운 물질을 발견했습니다. 실제로, 이 재료는 전자 제조업체가 장치 성능과 에너지 효율성에서 눈에 띄는 개선을 확보하는 데 도움이 될 수 있습니다. 더 빠르고 저렴한 전자 기기의 지속적인 개발을 보장할 수 있습니다.

전력 전자 산업을 위한 더 나은 열 관리의 의미

트랜지스터 구조를 나노미터 규모로 축소할 때 제조업체는 성능을 향상시키는 동시에 상당한 양의 열을 발생시키는 높은 트랜지스터 밀도의 칩을 제공할 수 있습니다. 일종의 열 관리 시스템이 없으면 이러한 컴퓨터 칩이 과열되고 속도가 느려지며 신뢰성이 떨어집니다. 열 스트레스도 시간이 지남에 따라 손상을 주어 조기 고장을 일으킬 수 있습니다.

전자 업계 관찰자들은 업계가 무어의 법칙의 종말에 대비해야 한다고 제안했습니다. – 트랜지스터 수가 2년마다 두 배로 증가하는 경향. 이는 주로 전자 엔지니어에게 열 관리 문제가 증가하고 있기 때문입니다.

첨단 소재보다 훨씬 우수한 성능을 제공하는 열 기판은 전자 산업이 이론적인 무어의 법칙에 보조를 맞춰 지난 수십 년 동안 우리가 기대하는 처리 능력의 성장을 계속하도록 보장할 수 있습니다.

반도체의 잠재적인 열 기판으로 떠오른 붕소 비소

2018년 UCLA(University of California Los Angeles)와 허영지에 부교수가 이끄는 어바인 재료 연구소(Irvine Materials Research Institute)의 연구원들은 실험실에서 무결함 비화붕소(BA)를 개발했습니다. 그들의 발견은 열을 끌어내고 발산하는 데 기존 반도체 재료보다 훨씬 더 효과적이라는 결론을 내렸습니다.

이제 연구팀은 BA를 최첨단 고출력 질화갈륨(GaN) 기반 고전자이동도 트랜지스터(HEMT)에 직접 통합하여 BA의 실질적인 효과를 처음으로 보여주었다. 2021년 6월 Nature Electronics에 발표된 팀의 연구 결과는 이러한 기판이 고전력 밀도 애플리케이션에서 최첨단 열 관리 재료보다 어떻게 더 효과적일 수 있는지를 보여주었습니다.

다이아몬드 또는 탄화규소보다 더 효과적

BA가 있는 GaN HEMT의 열 관리 성능을 평가하기 위해 연구팀은 이러한 구조를 두 개의 기존 열 기판인 다이아몬드 및 탄화규소(SiC)가 있는 GaN HEMT와 비교했습니다.

밀리미터당 15와트의 전력 밀도에서 비화붕소 기판이 있는 GaN HEMT는 실온에서 최대 188F까지 최대 열 증가를 보였습니다. 다이아몬드 톱이 있는 GaN HEMT는 최대 278F, 실리콘 카바이드가 있는 HEMT는 기질은 모두 약 332F까지 성장했습니다.

팀에 따르면, 결과는 BA 기판을 가진 장치가 기존 기판을 가진 장치보다 훨씬 더 높은 작동 전력을 유지할 수 있음을 보여줍니다. 연구원들은 BAs 기판의 향상된 성능을 재료의 높은 열 전도성과 낮은 열 경계 저항에 기인합니다. 재료의 저항이 낮을수록 열을 더 쉽게 끌어당기고 발산하여 열 관리 능력을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

BA의 열전도율은 다이아몬드가 제공하는 약 2,300W/(m·K)에 비해 미터-켈빈당 1,300와트(W/(m·K))에 이를 수 있습니다. 열전도율이 높을수록 좋지만 열 경계 저항이 매우 낮으면 재료가 반도체 냉각에 더 나은 성능을 제공할 수 있음을 의미합니다.

Bing Lv.에 따르면 BA에는 비소가 포함되어 있지만 비소는 붕소 비소와 같은 화합물에 통합될 때 안정하고 무독성이 됩니다. Lv는 텍사스 대학교 댈러스 소재 물리학 교수이자 연구원으로 열 관리를 위한 비화붕소의 잠재력을 탐구했으며 기판으로 사용할 수 있을 정도로 순수한 비화붕소를 합성하는 최초의 연구 그룹 중 하나를 이끌었습니다.

결과적으로 BA는 고성능 전자 제품에서 탄화규소 또는 다이아몬드로 사용하기에 안전한 것으로 간주됩니다. 또한, BA도 비교적 저렴하게 합성 및 가공할 수 있어 제조 비용이 소재 채택에 걸림돌이 되지 않아야 합니다.

그렇더라도 더 많은 연구가 필요할 것입니다. 엔지니어가 BA와 같은 새로운 재료를 사용하기 전에 재료의 전자 특성을 완전히 이해하고 사양에 맞는 성능을 발휘하는지 확인해야 합니다. 그래도 연구가 계속해서 재료의 효과가 입증된다면 비소붕소는 가까운 장래에 전자 제품에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.