Prezentacje pomysłów - Nowe chłodzące materiały do rozgrzanej elektroniki
Prawo Moore'a, a więc obserwacje firmy Intel przez Gordona E. Moore'a, który dowodził, że moce przetwarzania ulegają podwojeniu mniej więcej co dwa lata, było prawdziwe przez więcej niż pół wieku. Moce przetwarzania w telefonach komórkowych w naszych kieszeniach są obecnie wyższe niż można byłoby pomieścić w komputerze wielkości domu kilka dziesiątków lat temu. Ale są oznaki, że prawo Moore'a nie będzie dłużej prawdziwe, nie dlatego, że nie możemy zapewnić wyższych mocy przetwarzania w mniejszych opakowaniach (nowe projekty mikroukładów rozwiążą te problemy), lecz dlatego, że tak wiele komponentów upakowanych w ograniczonej przestrzeni wytwarza zbyt duże ilości ciepła. Jeśli nie znalezione zostanie rozwiązanie problemu z przegrzewaniem, to według niektórych analityków tempo przyrostu gęstości mocy, zdefiniowane przez prawo Moore'a, zacznie słabnąć do roku 2020, ograniczając dotkliwie postępy konstrukcji telefonów komórkowych, komputerów i szeregu innych urządzeń elektronicznych. "Problemy termiczne są największym wyzwaniem w zakresie trendu w kierunku zmniejszania urządzeń i stosowania coraz wyższych mocy przetwarzania, a nowe techniki umożliwiające podwyższone gęstości mocy, takie jak wbudowane mikroukłady i opakowania przestrzenne mikroukładów, wygenerują tylko więcej ciepła," wyjaśnia Afshin Ziaei, dyrektor ds. badań naukowych we francuskim przedsiębiorstwie Thales Research & Technology. Pan Ziaei koordynował projekt, przedstawiony na stronie internetowej Nanopack ("Technika nano opakowań do kontaktowych połączeń termicznych i rozpraszania ciepła"), który otrzymał dofinansowanie w wysokości 7 milionów euro od Komisji Europejskiej. Zespół projektu z firmy Thales Research and Technology współpracował z zespołem 13 innych przedsiębiorstw, uniwersytetów i instytutów naukowych, by rozwinąć bieżący stan techniki w zakresie zarządzania energią cieplną i wzajemnymi połączeniami elektrycznymi. Do przezwyciężenia problemów termicznych można zastosować kilka sposobów, między innymi konstruować bardziej skuteczne i wydajne systemy chłodzenia, albo na przykład w pierwszej kolejności opracowywać komponenty, które wydzielają mniej ciepła. Ale prawdopodobnie najbardziej efektywnym i praktycznym rozwiązaniem, które przyniesie największe korzyści, są interfejsy termiczne − a więc miejsca, gdzie mikroukład łączy się i rozprowadza ciepło do swojego opakowania, a następnie z opakowania do układu chłodzenia. "Te dwie płaszczyzny kontaktu termicznego, między rdzeniem mikroukładu a opakowaniem, oraz między opakowaniem a układem chłodzenia, reprezentują około 40 do 50% rezystancji termicznej. Jeśli obniżymy tę rezystancję, to możemy proporcjonalnie podwyższyć efektywność systemu chłodzenia," wyjaśnia Pan Ziaei. Oznacza to, że mikroukłady będą mogły pracować przy wyższych temperaturach, zapewniając wyższe moce przetwarzania, bądź też pracować w tej samej temperaturze zwiększą niezawodnością. Sposób obniżenia rezystancji termicznej na płaszczyznach kontaktu polega na zastosowaniu bardziej przewodzących "materiałów interfejsu termicznego" (TIM) w połączeniu z konstrukcjami, które pozwolą, by mikroukłady i ich opakowania umożliwiały szybsze rozpraszanie ciepła. Dzięki prowadzonym w Europie pracom, nowe materiały TIM i procesy dostępne będą niedługo w handlu. Wykorzystując mikro- i nanotechnologię, zespół projektowy opracował nowy szereg przewodzących ciepło smarów, klejów, materiałów, struktur i procesów, by poprawić interfejsy termiczne mikroukładów z ich opakowaniami i układami chłodzenia. Bliżej rynku oraz wizje na przyszłość "Niektóre z tych elementów są już dopracowane i powinny być wykorzystywane komercjalnie już wkrótce, inne są nadal w fazie badań i rozwoju, ale ich możliwość zastosowania wygląda obiecująco na dłuższą metę," twierdzi Pan Ziaei. Wśród dopracowanych materiałów, badanych przez partnerów projektu, znajdują się zaawansowane wersje tradycyjnego smaru termicznego i klejów − podobne do substancji wykorzystywanych do połączenia procesora komputera do radiatora w standardowym komputerze biurkowym. Rozwiązania z projektu Nanopack, z zastosowaniem smarów i kleju, zostały ulepszone z pomocą specjalnych mikro wypełniaczy, z których każdy posiada przewodność termiczną rzędu 10 watów na metr kwadratowy na stopień Kelvina (W/mK) − co reprezentuje natężenie przepływu ciepła w watach na metr kwadratowy konstrukcji podzielone przez różnicę temperatur po obydwu stronach. W przypadku smaru, opracowanego przez austriackiego partnera projektu Electrovac i zawierającego mikrokulki i nanowłókna z węgla grafitowanego w osnowie silikonowej, przewodność jest odpowiednia dla obecnego stanu techniki. Jednakże, klej opracowany przez naukowców z Politechniki Chalmers w Szwecji, wykazuje znacznie lepsze właściwości. "Większość klejów posiada współczynnik wymiany ciepła rzędu 4 W/mK. Toteż poziom 10 W/mK stanowi istotne ulepszenie," zauważa Pan Ziaei. "Zostało to osiągnięte poprzez wprowadzenie srebrnych płatków oraz mikrokulek do odpornej na ciepło dwuepoksydowej osnowy." Politechnika Chalmers założyła w Szwecji przedsiębiorstwo spin-off, Smart High Tech (SHT), by wprowadzić klej na rynek wraz z innym materiałem opracowanym w ramach projektu Nanopack, a mianowicie siecią włókna polimerowego z przetykanym stopem metalu. Ten niezwykły materiał, o nazwie SmarTIM, przypominający bardzo cienką folię aluminiową, wykazuje nadzwyczaj wydają charakterystykę termiczną, o współczynniku wymianu ciepła między 18 W/mK a 24 W/mK, zależnie od zastosowanego stopu metalu. "Siatka z włókien polimerowych tworzy solidną strukturę, podczas gdy stop metalu zapewnia skuteczne przewodzenie," twierdzi Pan Ziaei. W międzyczasie, partner w projekcie Nanopack, firma IBM ulepszyła istniejącą technologią znaną jako "hierarchiczny kanał zagnieżdżony" (HNC), gdzie wykorzystano mikrostruktury powierzchni, łączące się z interfejsami termicznymi (płaszczyznami kontaktu) w celu poprawy przewodności i zredukowania grubości warstwy termicznej. Inne technologie, opracowane w ramach projektu, nie są gotowe do wprowadzenia n rynki, ale po dopracowaniu, będą miały olbrzymi wpływ na zarządzanie energią cieplną. Jedna z nich, opracowana przez firmę Fraunhofer IZM, dotyczy złotej nano gąbki, której pory posiadają wymiar jedynie kilku dziesiątych nanometra. W innej technologii, opracowanej przez firmę Thales Research and Technology, wykorzystano nanorurki węglowe − cylindryczne struktury wykonane z odmian alotropowych węgla, o średnicy około jednego nanometra, a więc około 100 000 razy mniejszej od średnicy włosa ludzkiego. Są one ukierunkowane pionowo w roztworze, a ciepło przepływa do góry poprzez ich środki. "Technologie te stwarzają wielką obietnicę na przyszłość. Na przykład nanorurki węglowe posiadają doskonałe właściwości termiczne. Przewodność pojedynczej rurki dochodzi do 1000 W/mK, a w zamierzeniach planowane jest tworzenie materiałów, które wykorzystają te właściwość i będą mogły przewodzić około 100 W/mK. Jednakże, możemy osiągnąć 50 W/mK i będzie to w dalszym ciągu prawdziwe przełomowe zdarzenie," twierdzi Pan Ziaei. Poza pracą nad materiałami i procesami, zespół projektu Nanopack opracował także przełomową charakteryzację narzędzi do pomiaru i testowania przewodności termicznej materiałów. Niektórzy z partnerów będą obecnie uczestniczyli w finansowanym przez UE projekcie o nazwie "Inteligentna Energia", co pozwoli na rozszerzenie zakresu ich pracy na inne mikroukłady i projekty ich opakowań w oparciu o materiały i procesy opracowane w projekcie Nanopack. Ich wysiłki zapewnią, by prawo Moore'a sprawdzało się przynajmniej przez kilka następnych dziesięcioleci. Projekt Nanopack otrzymał finansowanie na badania naukowe, z podprogramu pod nazwą "Integracja komponentów nanoelektroniki i elektroniki następnej generacji", objętego Siódmym Programem Ramowym UE (FP7). Użyteczne odnośniki: - "Technika nano opakowań do kontaktowych połączeń termicznych i rozpraszania ciepła"project - Rejestr danych projektu Nanopack w organizacji CORDIS Odnośne publikacje: - Lepsze zarządzanie energią cieplną stanowi obietnicę tańszej, przyjaźniejszej ekologicznie i chłodniejszej elektroniki - Elegancka optoelektronika - mechanika kwantowa w nowych materiałach - Nanokulki rozszerzają ograniczenia w twardych dyskach - Rozszerzanie ograniczeń miniaturyzacji mikroukładów - EUROPRACTICE oferuje korzyści naukowcom z dziedziny nanotechnologii