Китайские ученые предложили инновационный способ решения проблемы перегрева электронных устройств, использовав принципы традиционных столярных соединений. Целью исследования стало повышение эффективности передачи тепла и электричества между различными материалами внутри устройств, таких как процессоры, светодиоды, электромобили и быстрые зарядные устройства.
Об этом сообщает Finway
Как столярные соединения могут изменить электронику
Обычно электроника состоит из множества слоев и компонентов, изготовленных из различных материалов, которые должны плотно соприкасаться для оптимального перемещения тока и тепла. Однако традиционное механическое соединение часто создает неровные контактные поверхности, что замедляет движение электронов и тепловых колебаний (фононов). Это увеличивает электрическое сопротивление, вызывает избыточное тепло и снижает энергоэффективность устройств, а в отдельных случаях даже приводит к их перегреву и поломкам.
Исследователи из Юго-Восточного университета обратились к опыту традиционного столярного ремесла, в частности — к шиповым и пальцевым соединениям, которые веками использовались для надежного соединения хрупких деревянных элементов без повреждения. Ученые адаптировали эти конструкции для микроскопического применения в электронике, создав миниатюрные структуры для кремниевых микросхем и современных электронных компонентов.
«Меня всегда поражало, насколько умными были некоторые древние/традиционные инженерные решения».
По словам руководителя исследования Менглона Хао, эти новые структуры значительно повысили контактную проводимость как для электрического тока, так и для тепла.
Новое решение для охлаждения микросхем и его преимущества
Одной из основных проблем охлаждения является чувствительность кремниевых микросхем. Избыточное давление при соединении может повредить микросхему, поэтому команда нашла другое решение: вместо прямого сжатия они преобразовали сжимающее напряжение в сдвиговое, которое действует как боковая сила. Это позволило электронам и фононам легче проходить через диэлектрические барьеры, что обеспечило более эффективную передачу энергии между материалами.
Результаты экспериментов на светодиодных компонентах выявили значительные преимущества новой технологии: температура внутри микросхемы снизилась на 44°C по сравнению со стандартными соединениями, которые используются сегодня в электронике.
Хао подчеркнул, что не только сила давления, но и характер этой силы имеют решающее значение для проводимости. Сдвиговое напряжение, которое возникает благодаря трению, обеспечило лучшую передачу энергии, чем простое вертикальное давление.
Ученые уверены, что новая технология может найти широкое применение в будущих компьютерных процессорах, LED-системах, дисплеях, оборудовании для солнечной энергетики, ветрогенераторах, зарядных устройствах и электромобилях. Улучшенная теплопередача позволит устройствам работать эффективнее, потреблять меньше энергии и иметь более длительный срок службы.