La miniaturizzazione dell'elettronica ha messo la capacità di calcolo ad alta potenza nelle mani della gente comune, ma il continuo ridimensionamento dei circuiti integrati sta sfidando gli ingegneri a trovare nuovi modi per contrastare il surriscaldamento dei componenti.

Scienziati dell'Università della California, Irvine ha recentemente fatto un passo avanti nella verifica di una nuova configurazione del materiale per facilitare il raffreddamento. In uno studio sulla rivista Nanotecnologia , i membri del Nano Thermal Energy Research Group dell'UCI evidenziano gli attributi del silicio bucato, un chip wafer con minuscolo, orifizi incisi verticalmente che lavorano per trasportare il calore nelle posizioni desiderate.

"Abbiamo scoperto che il calore preferisce viaggiare verticalmente attraverso ma non lateralmente attraverso il silicio bucato, il che significa che il materiale può spostare efficacemente il calore dai punti caldi locali ai sistemi di raffreddamento on-chip nella direzione verticale, mantenendo il gradiente di temperatura necessario per le giunzioni termoelettriche nella direzione laterale, " ha detto l'autore corrispondente Jaeho Lee, Professore assistente UCI di ingegneria meccanica e aerospaziale.

"Questa innovazione potrebbe essere l'ideale per mantenere freschi i dispositivi elettronici come gli smartphone durante il funzionamento, " ha detto l'autore principale Zongqing Ren, uno studente laureato ricercatore nel NTERG.

Ha detto che le simulazioni di laboratorio hanno dimostrato che l'efficacia di raffreddamento del silicio bucato è almeno del 400 percento migliore dei calcogenuri, composti comunemente usati nei dispositivi di raffreddamento termoelettrici.

La ricerca bucata del laboratorio sul silicio è il seguito di uno studio pubblicato in Comunicazioni sulla natura all'inizio del 2017 in cui Lee, come autore principale, e i suoi collaboratori con sede a UC Berkeley hanno impiegato materiale a maglia di silicio su scala nanometrica per studiare le proprietà dei fononi, quasiparticelle che forniscono agli scienziati informazioni sui meccanismi di trasporto termico.

"Sappiamo che i fononi possono mostrare un comportamento ondulatorio e particellare durante il trasporto termico, " ha detto Lee. "Utilizzando mesh con diverse dimensioni e spaziatura dei fori, siamo stati in grado di chiarire complessi meccanismi di trasporto termico su scala nanometrica".

Le conoscenze acquisite dallo studio precedente hanno aiutato il suo team a capire quanto piccolo, le strutture a forma di collo create dai fori incisi nel silicio bucato causano la retrodiffusione dei fononi, un effetto particellare che porta a una bassa conduttività termica nel piano. L'elevata conduttività termica del piano incrociato è stata causata da fononi a lunghezza d'onda lunga che aiutano a spostare il calore.

Lee ha affermato che il problema della temperatura nell'elettronica è cresciuto negli ultimi anni poiché i progettisti di microchip sembrano aver raggiunto un limite di dimensione. Con componenti più grandi, i produttori possono utilizzare dissipatori di calore, alette e persino ventole per incanalare il calore lontano dall'hardware critico. Sui chip odierni densamente confezionati con miliardi di transistor su nanoscala, spesso inseriti in sottili, prodotti di consumo tascabili:non c'è spazio per tali tecnologie di raffreddamento.

Altre questioni chiave sono la longevità e l'affidabilità. I chip a semiconduttore vengono incorporati in molti nuovi luoghi, agendo come sensori e attuatori in auto ed elettrodomestici e come nodi lungo l'Internet delle cose. Questi dispositivi dovrebbero funzionare ininterrottamente per anni e persino decenni. L'esposizione prolungata al calore potrebbe causare il guasto di tale infrastruttura.

"Da una parte, la nanotecnologia ha aperto un intero nuovo mondo di possibilità, ma dall'altra ha creato una serie di sfide, "Ha detto Lee. "È importante continuare a sviluppare una migliore comprensione dei fondamenti del trasporto termico e trovare modi per controllare il trasferimento di calore su scala nanometrica".