لماذا ترتفع درجة حرارة الرقائق الإلكترونية الحديثة؟

مع سرعة تبديل الترانزستورات النانوية التي تصل إلى جيجاهرتز، تندفع الإلكترونات عبر الدوائر وتفقد طاقتها على شكل حرارة - وهي نفس الحرارة التي تشعر بها عندما يسخن جهاز الكمبيوتر المحمول أو الهاتف بشكل غير مريح. يؤدي تكديس المزيد من الترانزستورات على الشريحة إلى تقليل مساحة تبديد هذه الحرارة. فبدلاً من أن تنتشر الحرارة بالتساوي في السيليكون، تتراكم في بؤر ساخنة قد تكون أسخن بعشرات الدرجات من المناطق المحيطة بها. ولتجنب التلف وانخفاض الأداء، تقوم الأنظمة بخفض تردد المعالجات المركزية ووحدات معالجة الرسومات عند ارتفاع درجات الحرارة بشكل مفاجئ.

نطاق التحدي الحراري

ما بدأ كسباق نحو التصغير تحوّل إلى صراع مع الحرارة في جميع الأجهزة الإلكترونية. ففي مجال الحوسبة، يدفع الأداء المتزايد كثافة الطاقة إلى مستويات أعلى (إذ يمكن للخوادم الفردية أن تستهلك عشرات الكيلوواط). وفي مجال الاتصالات، تتطلب الدوائر الرقمية والتناظرية على حد سواء طاقة ترانزستور أعلى للحصول على إشارات أقوى وبيانات أسرع. أما في إلكترونيات الطاقة، فإن تحسين الكفاءة بات مقيدًا بشكل متزايد بالقيود الحرارية.

استراتيجية مختلفة: توزيع الحرارة داخل الشريحة

بدلاً من ترك الحرارة تتجمع، تتمثل الفكرة الواعدة فيمخففإن توزيع الحرارة داخل الشريحة نفسها يشبه سكب كوب من الماء المغلي في حوض سباحة. فإذا انتشرت الحرارة في مكان توليدها، تبقى الأجهزة الأكثر سخونة باردة، وتعمل المبردات التقليدية (مشتتات الحرارة، والمراوح، وأنظمة التبريد السائل) بكفاءة أكبر. وهذا يتطلب...مادة عازلة كهربائياً ذات موصلية حرارية عاليةتم دمجها على بعد نانومترات قليلة من الترانزستورات النشطة دون التأثير على خصائصها الدقيقة. مرشح غير متوقع يفي بهذا الغرض:الماس.

لماذا الألماس؟

يُعدّ الماس من أفضل الموصلات الحرارية المعروفة، إذ يفوق النحاس بعدة مرات، كما أنه عازل كهربائي. تكمن المشكلة في التكامل: تتطلب طرق النمو التقليدية درجات حرارة تتراوح بين 900 و1000 درجة مئوية أو أعلى، مما قد يُلحق الضرر بالدوائر الإلكترونية المتطورة. تُظهر التطورات الحديثة أن السماكات الرقيقةالماس متعدد البلوراتيمكن إنماء أغشية رقيقة (بسماكة بضعة ميكرومترات فقط) فيدرجات حرارة أقل بكثيرمناسب للأجهزة الجاهزة.

مبردات اليوم وحدودها

يركز التبريد السائد على تحسين مشتتات الحرارة والمراوح ومواد التوصيل البيني. كما يستكشف الباحثون التبريد السائل الميكروفلويدي، ومواد تغيير الطور، وحتى غمر الخوادم في سوائل موصلة حراريًا وعازلة كهربائيًا. تُعد هذه خطوات مهمة، لكنها قد تكون ضخمة أو مكلفة أو غير متوافقة مع التقنيات الناشئة.مكدس ثلاثي الأبعادفي بنى الرقائق، حيث تتصرف طبقات السيليكون المتعددة مثل "ناطحة سحاب". في مثل هذه الرقائق، يجب على كل طبقة أن تتخلص من الحرارة؛ وإلا فإن النقاط الساخنة ستُحاصر في الداخل.

كيفية زراعة الماس المتوافق مع الأجهزة

يتمتع الماس أحادي البلورة بموصلية حرارية استثنائية (حوالي 2200-2400 واط/متر/كلفن، أي ما يعادل ستة أضعاف موصلية النحاس). ويمكن للأغشية متعددة البلورات، التي يسهل تصنيعها، أن تقترب من هذه القيم عند زيادة سمكها، بل وتتفوق على النحاس حتى عند سماكتها الأقل. تعتمد عملية الترسيب الكيميائي للبخار التقليدية على تفاعل الميثان والهيدروجين عند درجة حرارة عالية، مما يُشكل أعمدة نانوية رأسية من الماس تندمج لاحقًا لتُشكل غشاءً؛ وعندها يكون الغشاء سميكًا ومعرضًا للإجهاد والتشقق.
يتطلب النمو في درجات الحرارة المنخفضة وصفة مختلفة. فخفض الحرارة ببساطة ينتج عنه سخام موصل للكهرباء بدلاً من الماس العازل. إليكم...الأكسجينيقوم بنقش الكربون غير الماسي بشكل مستمر، مما يتيحالماس متعدد البلورات ذو الحبيبات الكبيرة عند درجة حرارة 400 درجة مئوية تقريبًادرجة حرارة متوافقة مع الدوائر المتكاملة المتقدمة. والأهم من ذلك، أن هذه العملية لا تقتصر على طلاء الأسطح الأفقية فحسب، بل يمكنها أيضًا طلاء الأسطح الأفقية.الجدران الجانبيةوهذا أمر مهم بالنسبة للأجهزة ثلاثية الأبعاد بطبيعتها.

مقاومة الحدود الحرارية (TBR): عنق الزجاجة الفونوني

تنتقل الحرارة في المواد الصلبة بواسطةالفونونات(اهتزازات الشبكة الكمية). عند أسطح التماس بين المواد، يمكن للفونونات أن تنعكس وتتراكم، مما يؤدي إلىمقاومة الحدود الحرارية (TBR)يعيق ذلك تدفق الحرارة. تسعى هندسة الواجهات إلى خفض نسبة الاختلاط الحراري، لكن الخيارات محدودة بتوافق أشباه الموصلات. عند بعض الواجهات، يمكن أن يؤدي الاختلاط إلى تكوين طبقة رقيقةكربيد السيليكون (SiC)طبقة تتطابق بشكل أفضل مع أطياف الفونون على كلا الجانبين، وتعمل كـ "جسر" وتقلل من TBR - وبالتالي تحسين نقل الحرارة من الأجهزة إلى الماس.

منصة اختبار: ترانزستورات GaN HEMTs (ترانزستورات الترددات الراديوية)

تتحكم ترانزستورات التنقل الإلكتروني العالي (HEMTs) المصنوعة من نتريد الغاليوم في التيار ضمن غاز إلكتروني ثنائي الأبعاد، وتُعتبر ذات قيمة عالية لتشغيلها بترددات عالية وقدرة عالية (بما في ذلك نطاق X ≈8–12 جيجاهرتز ونطاق W ≈75–110 جيجاهرتز). ونظرًا لتولد الحرارة بالقرب من السطح، تُعد هذه الترانزستورات أداة ممتازة لدراسة أي طبقة موزعة للحرارة في الموقع. وقد لوحظ انخفاض في درجات حرارة القناة عند تغليف الجهاز بطبقة رقيقة من الماس - بما في ذلك الجدران الجانبية.حوالي 70 درجة مئوية، مع تحسينات كبيرة في المساحة الحرارية عند الطاقة العالية.

الماس في CMOS ومجموعات ثلاثية الأبعاد

في مجال الحوسبة المتقدمة،التراص ثلاثي الأبعاديزيد من كثافة التكامل والأداء، ولكنه يخلق اختناقات حرارية داخلية حيث تكون المبردات الخارجية التقليدية أقل فعالية. ويمكن أن يؤدي دمج الماس مع السيليكون مرة أخرى إلى نتائج مفيدة.طبقة وسيطة من كربيد السيليكونمما ينتج عنه واجهة حرارية عالية الجودة.
أحد التصاميم المقترحة هوسقالة حراريةصفائح ماسية رقيقة للغاية (بالنانومتر) مغروسة فوق الترانزستورات داخل العازل، ومتصلة بواسطةالوصلات الحرارية العمودية ("أعمدة الحرارة")مصنوعة من النحاس أو الماس الإضافي. تنقل هذه الأعمدة الحرارة من طبقة إلى أخرى حتى تصل إلى مبرد خارجي. تُظهر عمليات المحاكاة بأحمال عمل واقعية أن هذه الهياكل يمكن أن تقلل من درجات الحرارة القصوى بنسبةيصل إلى عشرة أضعاففي مجموعات إثبات المفهوم.

ما زال الأمر صعباً

تشمل التحديات الرئيسية صنع السطح العلوي للماسمسطحة على المستوى الذريلتحقيق التكامل السلس مع الوصلات البينية والعوازل الكهربائية العلوية، وتحسين العمليات بحيث تحافظ الأغشية الرقيقة على موصلية حرارية ممتازة دون إجهاد الدوائر الأساسية.

أوتلوك

إذا استمرت هذه المناهج في التطور،انتشار الحرارة الماسي داخل الرقاقةيمكن أن يؤدي ذلك إلى تخفيف القيود الحرارية بشكل كبير في CMOS و RF وإلكترونيات الطاقة - مما يسمح بأداء أعلى وموثوقية أكبر وتكامل ثلاثي الأبعاد أكثر كثافة دون العقوبات الحرارية المعتادة.