В Массачусетском технологическом институте разработан сверхбыстрый рентгеновский метод измерения тепла, позволяющий наблюдать передачу тепла в многослойных структурах чипов

Исследователи из Массачусетского технологического института разработали новый метод наблюдения за передачей тепла в многослойных материалах, который позволяет точно измерять изменения тепловых потоков внутри электронных устройств, таких как компьютерные чипы. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

По мере уменьшения размеров компьютерных чипов и постоянного роста плотности мощности перегрев устройств становится важным фактором, ограничивающим повышение производительности. Традиционные методы измерения тепловых потоков имеют ограничения при работе с многослойными структурами реальных электронных устройств: например, широко используемый метод временной термоотражения с трудом различает передачу тепла в разных слоях материалов, а инфракрасная визуализация и другие методы также не позволяют улавливать быстрые изменения в микромасштабе.

Для решения этой проблемы исследовательская группа объединила лазерные импульсы со сверхбыстрым рентгеновским излучением: лазер используется для нагрева образца, а рентгеновские лучи проникают через несколько слоёв материала и проводят сканирование, регистрируя изменения внутри материала в процессе распространения тепла с помощью дифракции и других сигналов. Исследователи отмечают, что этот метод позволяет наблюдать распределение тепловых потоков в чрезвычайно малых масштабах и помогает напрямую анализировать влияние границ раздела и дефектов на отвод тепла.

Команда применила эту технологию к тестовому устройству, состоящему из кремниевой подложки и слоя нитрида галлия. Нитрид галлия, обладая хорошим теплопроводным потенциалом, считается перспективным для применения в транзисторах и гибких электронных устройствах. Эксперименты показали, что микронные складчатые дефекты в устройстве значительно ослабляют локальную способность отвода тепла: в местах дефектов теплопроводность снижается примерно в четыре раза, а общая способность материала к отводу тепла падает примерно на 25%. Исследование также показало, что такие дефекты приводят к анизотропии распространения тепла, в результате чего тепловой поток стремится распространяться в определённом направлении.

Исследователи полагают, что это открытие указывает на то, что при моделировании отвода тепла в электронных устройствах использование только модели «идеального бездефектного кристалла» может быть недостаточным для отражения реальной ситуации. Благодаря прямому наблюдению влияния микроскопических дефектов на тепловые потоки соответствующие методы могут обеспечить экспериментальную основу для теплового проектирования чипов, оптимизации структуры устройств и разработки электронных продуктов с высокой плотностью мощности.

Исследовательская группа отмечает, что в будущем этот метод измерения может быть расширен на более широкий круг материалов и типов устройств для анализа проблем отвода тепла в электронных устройствах, используемых в таких областях, как искусственный интеллект, носимые устройства и системы чистой энергетики. Работа частично поддержана проектами Министерства энергетики США, Национального научного фонда США и инженерного факультета Массачусетского технологического института.