Старинная техника обработки дерева спасет современную электронику от перегрева: к чему пришли ученые (фото)

Электронные системы обычно состоят из многих слоев и деталей, изготовленных из различных материалов. Эти материалы должны плотно соприкасаться, чтобы ток и тепло могли эффективно перемещаться между ними. Во многих случаях инженеры просто сжимают материалы, образуя так называемые механические соединения. Однако этот метод часто создает неровные контактные поверхности, что замедляет движение электронов и тепловых колебаний, известных как фононы.

У Фокус.Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Когда ток и тепло не могут должным образом перемещаться через эти соединения, электрическое сопротивление увеличивается. Это дополнительное сопротивление создает нежелательное тепло, снижает энергоэффективность, повреждает внутренние детали, а в крайних случаях может даже привести к выходу устройств из строя или их перегреву.

Исследовательская группа из Юго-Восточного университета предложила новое решение, вдохновленное столярными техниками, используемыми веками в деревянном производстве.

Главный исследователь Мэнглон Хао объяснил, что на проект повлияли древние инженерные методы. Он сказал: "Меня всегда поражало, насколько умными были некоторые древние/традиционные инженерные решения".

Команда сосредоточилась на столярных соединениях, таких как шпунтовые и пальцевые соединения. Эти методы уже давно позволяют столярам прочно соединять хрупкие деревянные детали, не повреждая их. Исследователи адаптировали эти конструкции для микроскопического применения в электронике, уменьшив структуры до крошечных узоров, пригодных для кремниевых микросхем и современных компонентов.

По словам Хао, "эти структуры обеспечили очень высокую контактную проводимость, как электрическую, так и тепловую".

Одной из основных проблем охлаждения электронных устройств является то, что кремниевые микросхемы являются деликатными. Сильное давление может улучшить контакт между материалами, но чрезмерное давление может привести к трещинам или повреждению микросхемы. Новые конструкции, вдохновленные столярным искусством, решили эту проблему по-другому. Вместо того, чтобы полагаться только на прямое сжатие, они превратили сжимающее напряжение в сдвиговое.

Сдвиговое напряжение действует как боковая сила. Эта сила помогала электронам и фононам двигаться сквозь тонкие изолирующие поверхностные слои, называемые диэлектрическими барьерами. В результате электричество и тепло эффективнее передавались между материалами.

Исследователи протестировали новые соединения, используя светодиодные компоненты. Эксперименты показали значительные улучшения. Температура внутри микросхемы снизилась на 44 градуса Цельсия по сравнению со стандартными соединениями, которые сейчас используются в электронике.

Хао отметил, что одним из важнейших выводов исследования стало то, что тип приложенной силы имеет такое же значение, как и величина самого давления. Он объяснил, что сдвиговое напряжение, вызванное трением, создает гораздо лучшую проводимость энергии, чем простое вертикальное давление.

Исследователи считают, что эта технология со временем может улучшить многие продукты, в частности компьютерные процессоры, большие светодиодные системы, дисплеи, оборудование для солнечной энергетики, ветрогенераторы, быстрые зарядные устройства и электромобили. Лучшая теплопередача может помочь устройствам служить дольше, потреблять меньше энергии и работать безопаснее.

Другие новости науки

• Ученые и эксперты по вопросам чрезвычайных ситуаций годами изучают способы уменьшения ущерба, вызванного извержениями вулканов. Иногда появляются даже радикальные методы.
• В Антарктиде исследователь с южнокорейской станции Чан Бого угрожал коллегам самодельным ножом. Этот случай в очередной раз вызвал беспокойство относительно психологического давления, которому подвергаются люди, месяцами живущие в одном из самых отдаленных мест на Земле.

При написании этого материала использованы материалы Science X, Nature Electronics.