De nouveaux matériaux pourraient refroidir les appareils à haute puissance

De nouveaux substrats pourraient être plus efficaces que les derniers matériaux de gestion thermique d'art dans les applications à haute densité de puissance.

La gestion thermique est rapidement devenue l'un des problèmes les plus importants auxquels sont confrontés les ingénieurs électriciens. Au fur et à mesure que la densité de puissance de l'électronique a augmenté, la quantité d'énergie thermique qu'elle génère a également augmenté. Des performances élevées nécessitent des matériaux capables d'aspirer et de dissiper cette chaleur, évitant ainsi d'endommager les composants électroniques sensibles et garantissant leur fonctionnement efficace.

En règle générale, les fabricants d'électronique à haute densité de puissance utilisent des substrats comme le diamant ou le carbure de silicium pour gérer la chaleur générée par les semi-conducteurs comme les transistors. Aujourd'hui, les chercheurs ont découvert un nouveau matériau qui absorbe la chaleur des points chauds beaucoup plus efficacement. En pratique, ce matériau pourrait aider les fabricants d'électronique à obtenir des améliorations notables des performances et de l'efficacité énergétique des appareils. Cela peut assurer le développement continu d'appareils électroniques plus rapides et moins chers.

Que signifie une meilleure gestion thermique pour l'industrie de l'électronique de puissance

En réduisant les géométries des transistors à des échelles nanométriques, les fabricants peuvent proposer des puces à haute densité de transistors qui améliorent les performances mais génèrent également des quantités importantes de chaleur. Sans une sorte de système de gestion thermique, ces puces informatiques surchaufferont, ralentiront et deviendront moins fiables. Le stress thermique peut également les endommager au fil du temps, entraînant une défaillance prématurée.

Les observateurs de l'industrie électronique ont suggéré que l'industrie devrait se préparer à la fin de la loi de Moore – la tendance du nombre de transistors à doubler tous les deux ans. Cela est principalement dû au défi croissant que pose la gestion de la chaleur aux ingénieurs en électronique.

Un substrat thermique offrant des performances bien meilleures que les matériaux de pointe pourrait permettre à l'industrie électronique de suivre le rythme des gains théoriques de la loi de Moore, en poursuivant la croissance de la puissance de traitement à laquelle nous nous attendons au cours des dernières décennies.

L'arséniure de bore émerge comme substrat thermique potentiel pour les semi-conducteurs

En 2018, des chercheurs de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA) et de l'Irvine Materials Research Institute, dirigés par le professeur agrégé Yongjie Hu, ont développé de l'arséniure de bore (BA) sans défaut dans leur laboratoire. Leurs découvertes ont déterminé qu'il était beaucoup plus efficace que les matériaux semi-conducteurs conventionnels pour attirer et dissiper la chaleur.

Aujourd'hui, pour la première fois, l'équipe de recherche a montré l'efficacité pratique du BA en l'intégrant directement dans des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) à base de nitrure de gallium (GaN) à la pointe de la technologie. Les résultats de l'équipe, publiés en juin 2021 dans Nature Electronics, ont démontré comment ces substrats peuvent être plus efficaces que les matériaux de gestion thermique de pointe dans les applications à haute densité de puissance.

Plus efficace que le diamant ou le carbure de silicium

Pour évaluer les performances de gestion thermique des HEMT GaN avec des BA, l'équipe de recherche a comparé ces structures aux HEMT GaN avec deux substrats thermiques conventionnels, le diamant et le carbure de silicium (SiC).

À une densité de puissance de 15 watts par millimètre, le GaN HEMT avec un substrat d'arséniure de bore a vu une augmentation maximale de la chaleur de la température ambiante jusqu'à 188 F. Le GaN HEMT avec le diamant a vu des escalades jusqu'à 278 F, et le HEMT avec un carbure de silicium substrat à la fois vu la croissance jusqu'à environ 332 F.

Selon l'équipe, les résultats démontrent que les appareils avec un substrat BAs peuvent supporter une puissance de fonctionnement beaucoup plus élevée que ceux avec des substrats conventionnels. Les chercheurs ont attribué les performances améliorées du substrat BAs à la conductivité thermique élevée du matériau et à sa faible résistance thermique. Plus la résistance d'un matériau est faible, plus il aspire et dissipe facilement la chaleur, ce qui contribue à améliorer les capacités de gestion thermique.

La conductivité thermique des BA peut atteindre jusqu'à 1 300 watts par mètre-kelvin (W/(m·K)), contre environ 2 300 W/(m·K) offerts par le diamant. Une conductivité thermique plus élevée est meilleure, mais une résistance thermique extrêmement faible signifie que le matériau peut offrir de meilleures performances pour le refroidissement des semi-conducteurs.

Bien que les BA contiennent de l'arsenic, l'arsenic devient stable et non toxique lorsqu'il est incorporé dans des composés comme l'arséniure de bore, selon le Dr Bing Lv. Lv est un professeur de physique et chercheur de l'Université du Texas à Dallas qui a également exploré le potentiel de l'arséniure de bore pour la gestion thermique et a dirigé l'un des premiers groupes de recherche à synthétiser de l'arséniure de bore suffisamment pur pour être utilisé comme substrat.

En conséquence, les BA sont considérés comme sûrs à utiliser comme le carbure de silicium ou le diamant dans l'électronique haute performance. De plus, les BA peuvent également être synthétisés et traités à un prix relativement bas, de sorte que le coût de fabrication ne devrait pas être un obstacle à l'adoption du matériau.

Même ainsi, des recherches supplémentaires seront nécessaires. Avant que les ingénieurs puissent s'engager dans un nouveau matériau comme les BA, ils doivent bien comprendre les propriétés électroniques du matériau et s'assurer qu'il fonctionne conformément aux spécifications. Pourtant, il est probable que si la recherche continue de démontrer l'efficacité du matériau, l'arséniure de bore pourrait avoir un impact majeur sur l'électronique dans un proche avenir.