Микронная складка снижает теплопроводность в пять раз — исследование MIT

Складка размером в один микрометр способна стать критическим препятствием для теплового потока внутри электронного устройства. В новом исследовании учёные Массачусетского технологического института продемонстрировали, что такой микроскопический дефект уменьшает локальную теплопроводность примерно в четыре–пять раз, затрудняя отвод тепла и потенциально формируя опасную локальную зону перегрева. При этом распространение тепла в противоположных направлениях вокруг дефекта становится асимметричным.

Результаты показывают, как микроскопические несовершенства создают скрытые тепловые «узкие места» в современных высокомощных электронных компонентах и ограничивают их функциональные возможности. «Я считаю, что перегрев стал реальным узким местом в производительности устройств», — заявил Минда Ли, соавтор исследования и доцент кафедры ядерной науки и техники в MIT.

Важнейшим достижением работы стало создание метода прямого картирования тепловых нарушений внутри многослойных материалов — задачи, с которой традиционные методы измерения теплопередачи не справляются.

Прямое наблюдение тепла в глубине структуры

По мере того как инженеры размещают всё больше транзисторов в уменьшающихся объёмах, управление генерируемым ими теплом становится всё более сложной задачей. Особенно остро проблема проявляется в реальных устройствах, состоящих из нескольких слоёв, через которые тепло должно проходить последовательно.

Существующие методы измерения теплопередачи обладают существенными ограничениями. Оптические подходы, например терморефлектометрия во временной области, позволяют проводить измерения в микромасштабе, однако дают лишь суммарный оптический сигнал и неспособны разрешить теплопередачу в скрытых подповерхностных слоях.

«Поскольку этот метод оптический, он не позволяет изучать различные слои. В реальных устройствах может быть пять и более слоёв. Кроме того, он даёт только суммарный сигнал, что затрудняет наблюдение за теплопередачей в слоях, расположенных под поверхностью», — пояснил Джихван Ким, профессор MIT и соавтор исследования.

Инфракрасные камеры также способны фиксировать изменения температуры, но их пространственное и временное разрешение недостаточно для отслеживания экстремально малых и быстрых тепловых изменений.

В результате исследователи часто могут определить общее количество рассеиваемого тепла, но не могут точно установить, где именно оно задерживается.

Команда MIT решила эту задачу, объединив лазерные импульсы с ультрабыстрой рентгеновской дифракцией. Материал нагревали лазером, а затем рентгеновскими лучами отслеживали изменения в его кристаллической решётке по мере распространения тепла.

Метод основан на том, что нагрев кристалла вызывает незначительное смещение атомов и изменение межатомных расстояний в решётке, что приводит к измеримому изменению дифракции рентгеновских лучей.

Фиксируя эти изменения в разных точках и в разные моменты времени после лазерного импульса, учёные смогли восстановить пространственно-временную картину распространения тепла по материалу.

Рентгеновское излучение обеспечило ещё одно ключевое преимущество: возможность зондирования многослойной структуры без ограничения поверхностью. Это позволило исследовать теплопередачу внутри плёнки нитрида галлия (GaN) и охарактеризовать теплопередачу на границе раздела GaN–кремний.

Складка как тепловой барьер

Техника была протестирована на 500-нанометровом слое нитрида галлия на кремниевой подложке. GaN представляет интерес для высокомощной электроники благодаря своей способности выдерживать высокие электрические поля и мощность. В процессе изготовления тонкой плёнки возникли микроскопические дефекты, включая складку шириной около одного микрометра.

При сканировании этой неоднородности исследователи зафиксировали неожиданно значительное изменение теплопередачи.

Вблизи складки локальная теплопроводность составила 21,2 ± 1,2 Вт/(м·К) — в четыре–пять раз ниже, чем в окружающем GaN. Дефект также снизил тепловую граничную проводимость на интерфейсе GaN–кремний примерно на 25 %, до величины порядка 2,12 × 10⁷ Вт/(м²·К).

Однако складка не просто замедляла тепло: она нарушала симметрию его распространения. Тепло, приближающееся к складке с одной стороны, вело себя иначе, чем тепло, движущееся к ней с противоположной стороны. Таким образом, локальный дефект превращает однородный тепловой канал в направленный тепловой «узкий участок».

«Когда люди моделируют отвод тепла, они используют модели идеальных кристаллов без дефектов, однако подобные крупные складчатые дефекты очень распространены в двумерных материалах. Ранее никто не знал, насколько сильно такие складки блокируют тепло. Теперь мы можем напрямую наблюдать это с помощью нашей методики», — отметил Минда Ли.

Новая методика позволяет зафиксировать именно локальный эффект, а не усреднять его вместе с поведением окружающего материала. Такие локальные снижения теплопроводности и граничной проводимости могут способствовать образованию горячих точек и, как следствие, влиять на надёжность и срок службы электронных устройств.

Инструмент для будущего теплового проектирования

Исследователи полагают, что предложенная методика в перспективе поможет инженерам выявлять микроскопические особенности, ответственные за перегрев в электронных устройствах. Это особенно актуально по мере увеличения вычислительной мощности в уменьшающихся объёмах — в том числе в оборудовании для искусственного интеллекта, высокомощной электронике и гибких устройствах.

На текущем этапе метод остаётся специализированным лабораторным инструментом, требующим сложных рентгеновских установок, и пока не может заменить рутинные испытания в производстве полупроводниковых чипов.

Демонстрация проведена на структуре GaN-на-кремнии, а не на полноценном коммерческом чипе.

Тем не менее авторы считают, что метод применим и к другим материалам, и к иным архитектурам устройств. Консорциум полупроводниковой промышленности уже выразил заинтересованность в его использовании для анализа различных типов чипов.

В конечном счёте работа может сместить акцент в тепловом проектировании — от представления материалов как однородных блоков к детальному пониманию роли микроскопических дефектов и интерфейсов, фактически определяющих, где тепло будет задерживаться.

Для всё более компактных электронных систем выявление таких микроскопических «узких мест» может оказаться решающим фактором в предотвращении локальных горячих точек как ограничителя производительности.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.