La fotonica offre vari vantaggi, tra cui la possibilità di comunicazioni ad alta velocità e con basse perdite sfruttando le proprietà della luce nella comunicazione ottica dei dati, nelle applicazioni biomediche, nella tecnologia automobilistica e nei domini dell'intelligenza artificiale. Questi vantaggi si ottengono attraverso circuiti fotonici complessi, comprendenti diversi elementi fotonici integrati su un chip fotonico.
Vengono quindi aggiunti chip elettronici per integrare i chip fotonici per determinate funzioni, come il funzionamento della sorgente luminosa, la modulazione e l'amplificazione. La stretta integrazione di chip elettronici e fotonici su un substrato è un aspetto critico del packaging fotonico.
Il packaging fotonico svolge un ruolo fondamentale nel supportare il funzionamento efficace dei chip elettronici e fotonici nei settori elettrico, ottico, meccanico e termico. Una gestione termica efficiente diventa fondamentale nei pacchetti compatti in cui la diafonia termica tra chip elettronici e fotonici, insieme alle fluttuazioni della temperatura ambiente, possono avere un impatto negativo sulle prestazioni dei chip fotonici.
I substrati di vetro, ampiamente discussi come piattaforma di co-packaging per chip elettronici e fotonici, sono fondamentali in questo caso perché offrono vantaggi come un fattore di forma compatto, una bassa perdita elettrica e una piattaforma producibile a livello di pannello. Inoltre, i substrati di vetro hanno una bassa conduttività termica, facilitando una minima diffusione laterale del calore tra i chip elettronici e fotonici.
L'incorporazione di passanti in vetro (TGV) nel substrato di vetro consente un'efficace dissipazione del calore dai chip elettronici. Un'altra strategia di gestione termica prevede l'integrazione di dispositivi di raffreddamento microtermoelettrici (micro-TEC) nella parte inferiore di un chip, fornendo un controllo attivo della temperatura.
In una nuova ricerca pubblicata sul Journal of Optical Microsystems , viene introdotta una combinazione di TGV e tecnologie micro-TEC denominate "raffreddatori micro-termoelettrici integrati nel substrato (SimTEC)".
SimTEC prevede TGV parzialmente riempiti con rame e materiali termoelettrici, garantendo la stabilizzazione termica dei chip fotonici ed elettronici nel pacchetto. Questa nuova tecnica integra gli approcci di raffreddamento a livello di sistema. La ricercatrice Parnika Gupta e colleghi dell'University College di Cork, in Irlanda, hanno esaminato l'impatto dei substrati di vetro sulle prestazioni termiche dei vias segmentati e lo hanno confrontato con quello dei pilastri micro-TEC indipendenti. Hanno analizzato l'effetto del diametro, dell'altezza, del passo e del fattore di riempimento del passaggio sulle prestazioni di raffreddamento di SimTEC.
In particolare, la tecnologia fornisce un controllo termico preciso nel package e riduce la resistenza termica tra la superficie TEC e l'interfaccia del chip quando i chip vengono incollati tramite flip-chip sul substrato di vetro. Le simulazioni con disegno sperimentale (DOE) indicano un raffreddamento massimo di 9,3 K o un intervallo di stabilizzazione della temperatura di 18,6 K.
Lo studio ha inoltre evidenziato una variazione sei volte maggiore nelle prestazioni di raffreddamento con la variazione della geometria della via rispetto alla variazione delle prestazioni di raffreddamento dell'unicoppia micro-TEC indipendente. L'ottimizzazione delle proprietà dei materiali termoelettrici ha il potenziale per migliorare le prestazioni delle future architetture integrate SimTEC.
Ulteriori informazioni: Parnika Gupta et al, Raffreddatori microtermoelettrici integrati nel substrato nel substrato di vetro per pacchetti fotonici di prossima generazione, Journal of Optical Microsystems (2024). DOI:10.1117/1.JOM.4.1.011006
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