Neue Materialien könnten Hochleistungsgeräte kühlen

Neue Substrate könnten effektiver sein als hochmoderne art Wärmemanagementmaterialien in Anwendungen mit hoher Leistungsdichte.

Das Wärmemanagement hat sich schnell zu einem der größten Probleme für Elektroingenieure entwickelt. Mit der Leistungsdichte der Elektronik hat sich auch die Menge der erzeugten Wärmeenergie erhöht. Für hohe Leistung sind Materialien erforderlich, die diese Wärme aufnehmen und ableiten können, um Schäden an empfindlichen elektronischen Komponenten zu vermeiden und sicherzustellen, dass sie effizient funktionieren.

Typischerweise verwenden Hersteller von Elektronik mit hoher Leistungsdichte Substrate wie Diamant oder Siliziumkarbid, um die von Halbleitern wie Transistoren erzeugte Wärme zu bewältigen. Jetzt haben Forscher ein neues Material entdeckt, das Wärme aus heißen Stellen viel effektiver entzieht. In der Praxis könnte dieses Material Elektronikherstellern dabei helfen, spürbare Verbesserungen der Geräteleistung und Energieeffizienz zu erzielen. Es kann die kontinuierliche Entwicklung schnellerer und billigerer elektronischer Geräte sicherstellen.

Was ein besseres Wärmemanagement für die Leistungselektronikbranche bedeutet

Bei schrumpfenden Transistorgeometrien bis in den Nanometerbereich können Hersteller Chips mit hoher Transistordichte anbieten, die die Leistung verbessern, aber auch erhebliche Wärmemengen erzeugen. Ohne eine Art Wärmemanagementsystem überhitzen diese Computerchips, verlangsamen und werden weniger zuverlässig. Auch thermische Belastungen können sie im Laufe der Zeit beschädigen und zu einem vorzeitigen Ausfall führen.

Beobachter der Elektronikindustrie haben vorgeschlagen, dass sich die Branche auf das Ende des Mooreschen Gesetzes vorbereiten sollte – die Tendenz, dass sich die Transistorzahl alle zwei Jahre verdoppelt. Das liegt vor allem an der wachsenden Herausforderung, die das Wärmemanagement für Elektronikingenieure stellt.

Ein thermisches Substrat, das eine viel bessere Leistung bietet als modernste Materialien, könnte sicherstellen, dass die Elektronikindustrie mit den theoretischen Zuwächsen des Mooreschen Gesetzes Schritt hält – und das Wachstum der Verarbeitungsleistung fortsetzen, das wir in den letzten Jahrzehnten erwarten.

Borarsenid stellt sich als potenzielles thermisches Substrat für Halbleiter heraus

Im Jahr 2018 entwickelten Forscher der University of California Los Angeles (UCLA) und des Irvine Materials Research Institute unter der Leitung von Associate Professor Yongjie Hu in ihrem Labor defektfreies Borarsenid (BA). Ihre Ergebnisse stellten fest, dass es beim Ziehen und Ableiten von Wärme viel effektiver war als herkömmliche Halbleitermaterialien.

Jetzt hat das Forschungsteam zum ersten Mal die praktische Wirksamkeit von BA nachgewiesen, indem es es direkt in hochmoderne Hochleistungs-Galliumnitrid-(GaN)-basierte Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMTs) integriert hat. Die Ergebnisse des Teams, die im Juni 2021 in Nature Electronics veröffentlicht wurden, zeigten, wie diese Substrate in Anwendungen mit hoher Leistungsdichte effektiver sein können als hochmoderne Wärmemanagementmaterialien.

Effektiver als Diamant oder Siliziumkarbid

Um die Wärmemanagementleistung von GaN-HEMTs mit BAs zu bewerten, verglich das Forschungsteam diese Strukturen mit GaN-HEMTs mit zwei herkömmlichen thermischen Substraten, Diamant und Siliziumkarbid (SiC).

Bei einer Leistungsdichte von 15 Watt pro Millimeter sah der GaN-HEMT mit Borarsenid-Substrat einen maximalen Wärmeanstieg von Raumtemperatur auf bis zu 188 F. Der GaN-HEMT mit Diamant sah Eskalationen von bis zu 278 F und der HEMT mit Siliziumkarbid Substrat beide sahen Wachstum bis zu etwa 332 F.

Laut dem Team zeigen die Ergebnisse, dass Geräte mit einem BAs-Substrat eine viel höhere Betriebsleistung aushalten können als solche mit herkömmlichen Substraten. Die Forscher führten die verbesserte Leistung des BAs-Substrats auf die hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials und den geringen thermischen Grenzwiderstand zurück. Je niedriger der Widerstand eines Materials ist, desto leichter wird es Wärme aufnehmen und ableiten – was zu einem verbesserten Wärmemanagement beiträgt.

Die Wärmeleitfähigkeit von BAs kann bis zu 1.300 Watt pro Meter-Kelvin (W/(m·K)) erreichen, verglichen mit den ungefähr 2.300 W/(m·K) von Diamant. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit ist besser, aber ein extrem niedriger thermischer Grenzwiderstand bedeutet, dass das Material eine bessere Leistung beim Kühlen von Halbleitern bieten kann.

Obwohl BAs Arsen enthalten, wird Arsen stabil und ungiftig, wenn es in Verbindungen wie Borarsenid eingebaut wird, so Dr. Bing Lv. Lv ist ein Physikprofessor und Forscher an der University of Texas in Dallas, der auch das Potenzial von Borarsenid für das Wärmemanagement erforscht hat und eine der ersten Forschungsgruppen leitete, die Borarsenid rein genug synthetisierten, um es als Substrat zu verwenden.

Daher gelten BAs in der Hochleistungselektronik als genauso sicher wie Siliziumkarbid oder Diamant. Darüber hinaus können BAs auch relativ kostengünstig synthetisiert und verarbeitet werden, sodass die Herstellungskosten kein Hindernis für die Akzeptanz des Materials darstellen sollten.

Trotzdem wird weitere Forschung notwendig sein. Bevor sich Ingenieure auf ein neuartiges Material wie BAs festlegen können, müssen sie die elektronischen Eigenschaften des Materials vollständig verstehen und sicherstellen, dass es den Spezifikationen entspricht. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass Borarsenid in naher Zukunft einen großen Einfluss auf die Elektronik haben könnte, wenn die Forschung weiterhin die Wirksamkeit des Materials belegt.