Material baru dapat mendinginkan perangkat berdaya tinggi
Substrat baru bisa lebih efektif daripada yang canggih bahan manajemen termal seni dalam aplikasi kepadatan daya tinggi.
Manajemen termal dengan cepat menjadi salah satu masalah paling signifikan yang dihadapi insinyur listrik. Karena kerapatan daya elektronik telah meningkat, demikian juga jumlah energi panas yang mereka hasilkan. Performa tinggi membutuhkan material yang dapat menarik dan menghilangkan panas ini, mencegah kerusakan pada komponen elektronik yang sensitif dan memastikan mereka beroperasi secara efisien.
Biasanya, produsen elektronik dengan kepadatan daya tinggi menggunakan substrat seperti berlian atau silikon karbida untuk mengelola panas yang dihasilkan oleh semikonduktor seperti transistor. Sekarang, para peneliti telah menemukan bahan baru yang menarik panas dari titik panas jauh lebih efektif. Dalam praktiknya, bahan ini dapat membantu produsen elektronik mengamankan peningkatan nyata dalam kinerja perangkat dan efisiensi energi. Ini dapat memastikan pengembangan lanjutan dari perangkat elektronik yang lebih cepat dan lebih murah.
Arti Manajemen Termal yang Lebih Baik untuk Industri Elektronik Tenaga
Dalam menyusutkan geometri transistor ke skala nanometer, produsen dapat menawarkan chip dengan kepadatan transistor tinggi yang meningkatkan kinerja tetapi juga menghasilkan panas dalam jumlah yang signifikan. Tanpa semacam sistem manajemen termal, chip komputer ini akan menjadi terlalu panas, melambat, dan menjadi kurang dapat diandalkan. Tekanan termal juga dapat merusaknya dari waktu ke waktu, yang mengakibatkan kegagalan prematur.
Pengamat industri elektronik telah menyarankan bahwa industri harus bersiap untuk berakhirnya Hukum Moore – kecenderungan jumlah transistor menjadi dua kali lipat setiap dua tahun. Hal ini terutama disebabkan oleh semakin banyaknya tantangan yang ditimbulkan oleh manajemen panas bagi para insinyur elektronik.
Substrat termal yang menawarkan kinerja yang jauh lebih baik daripada material mutakhir dapat memastikan industri elektronik mengimbangi keuntungan Teori Moore's Law — melanjutkan pertumbuhan kekuatan pemrosesan yang kami harapkan selama beberapa dekade terakhir.
Boron Arsenide Muncul sebagai Substrat Termal Potensial untuk Semikonduktor
Pada tahun 2018, para peneliti dari University of California Los Angeles (UCLA) dan Irvine Materials Research Institute, yang dipimpin oleh Associate Professor Yongjie Hu, mengembangkan boron arsenide (BA) bebas cacat di laboratorium mereka. Temuan mereka menentukan itu jauh lebih efektif daripada bahan semikonduktor konvensional dalam menggambar dan menghilangkan panas.
Sekarang, untuk pertama kalinya, tim peneliti telah menunjukkan keefektifan praktis BA dengan mengintegrasikannya langsung ke transistor mobilitas elektron tinggi (HEMTs) berbasis gallium nitrida (GaN) berdaya tinggi yang mutakhir. Temuan tim, yang dipublikasikan pada Juni 2021 di Nature Electronics, menunjukkan bagaimana substrat ini bisa lebih efektif daripada material manajemen termal tercanggih dalam aplikasi kepadatan daya tinggi.
Lebih Efektif Daripada Berlian atau Silikon Karbida
Untuk mengevaluasi kinerja manajemen termal HEMT GaN dengan BA, tim peneliti membandingkan struktur ini dengan HEMT GaN dengan dua substrat termal konvensional, berlian dan silikon karbida (SiC).
Pada kepadatan daya 15 watt per milimeter, HEMT GaN dengan substrat boron arsenida mengalami peningkatan panas maksimum dari suhu kamar hingga 188 F. GaN HEMT dengan gergaji berlian meningkat hingga 278 F, dan HEMT dengan silikon karbida substrat keduanya tumbuh hingga sekitar 332 F.
Menurut tim, hasil menunjukkan bahwa perangkat dengan substrat BA dapat mempertahankan daya operasi yang jauh lebih tinggi daripada perangkat dengan substrat konvensional. Para peneliti mengaitkan peningkatan kinerja substrat BA dengan konduktivitas termal yang tinggi dan ketahanan batas termal yang rendah. Semakin rendah resistansi suatu material, semakin mudah material tersebut menarik dan menghilangkan panas — membantu meningkatkan kemampuan manajemen termal.
Konduktivitas termal BA dapat mencapai 1.300 watt per meter-kelvin (W/(m·K)), dibandingkan dengan sekitar 2.300 W/(m·K) yang ditawarkan oleh berlian. Konduktivitas termal yang lebih tinggi lebih baik, tetapi resistansi batas termal yang sangat rendah berarti material tersebut dapat memberikan kinerja yang lebih baik dalam pendinginan semikonduktor.
Meskipun BA mengandung arsenik, arsenik menjadi stabil dan tidak beracun ketika dimasukkan ke dalam senyawa seperti boron arsenida, menurut Dr. Bing Lv. Lv adalah profesor dan peneliti fisika dari Universitas Texas di Dallas yang juga telah mengeksplorasi potensi boron arsenida untuk manajemen termal dan memimpin salah satu kelompok penelitian pertama untuk mensintesis boron arsenida yang cukup murni untuk digunakan sebagai substrat.
Akibatnya, BA dianggap aman untuk digunakan sebagai silikon karbida atau berlian dalam elektronik berkinerja tinggi. Selain itu, BA juga dapat disintesis dan diproses dengan harga yang relatif murah, sehingga biaya produksi tidak boleh menjadi penghalang untuk adopsi material.
Meski begitu, penelitian lebih lanjut akan diperlukan. Sebelum engineer dapat berkomitmen pada material baru seperti BA, mereka harus sepenuhnya memahami properti elektronik material dan memastikan performanya sesuai spesifikasi. Namun, kemungkinan besar jika penelitian terus menunjukkan keefektifan bahan, boron arsenida dapat berdampak besar pada elektronik dalam waktu dekat.
