MIT วัดการถ่ายเทความร้อน Semiconductor ได้แม่นยำขึ้น 4 เท่า
นักวิจัยจาก MIT นำโดย Mingda Li พัฒนาเทคนิคใช้เลเซอร์และรังสีเอกซ์วัดการถ่ายเทความร้อนระดับนาโนใน Gallium Nitride-on-Silicon พบโครงสร้างอินเทอร์เฟซสามารถลดความต้านทานความร้อนลงได้ 25% ถึง 4 เท่า ข้อมูลนี้ช่วยให้ผู้ผลิตชิปและอุตสาหกรรม OSAT ตลอดจนโรงงานประกอบ PCB ในไทย เข้าใจการจัดการความร้อนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ยุคใหม่
ขีดจำกัดในการออกแบบชิปเซมิคอนดักเตอร์กำลังเผชิญกับปัญหาคอขวดด้านความร้อนสะสมจากการบีบอัดทรานซิสเตอร์ลงในพื้นที่ขนาดเล็ก ข้อมูลจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ล่าสุดระบุถึงความสำเร็จในการสาธิตวิธีตรวจวัดการเคลื่อนที่ของความร้อนผ่านวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลายชั้นระดับไมโครและนาโนเมตร โดยใช้รังสีเอ็กซ์ร่วมกับเลเซอร์พัลส์
การผลิตคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูงอาศัยการเพิ่มจำนวนทรานซิสเตอร์ลงในพื้นที่ที่เล็กลง แต่เมื่อทรานซิสเตอร์อยู่ใกล้กันมากขึ้น ความร้อนระหว่างการทำงานจึงเพิ่มสูงตามไปด้วย การพัฒนาชิปที่ทรงพลังจึงขึ้นอยู่กับการค้นหาวัสดุที่สามารถถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด ทว่าวิธีการวัดและจำลองการไหลของความร้อนแบบเดิมกลับมีข้อจำกัดเมื่อนำมาใช้ศึกษาโครงสร้างของอุปกรณ์จริงซึ่งประกอบด้วยชั้นวัสดุหลายชั้น (Multilayered Devices)
ก้าวข้ามข้อจำกัดของการวัดความร้อนในชั้นเซมิคอนดักเตอร์
วิธีทางแสงแบบดั้งเดิมให้เพียงสัญญาณภาพรวม ไม่สามารถเจาะลึกเพื่อศึกษาการกระจายความร้อนในชั้นวัสดุที่ซ่อนอยู่ใต้พื้นผิวได้ เพื่อแก้ปัญหานี้ ทีมวิจัยจาก MIT ได้พัฒนาเทคนิคใหม่โดยใช้เลเซอร์ส่งความร้อนลงบนตัวอย่างทดสอบ พร้อมกับใช้รังสีเอ็กซ์ความเร็วสูงสแกนการกระจายตัวของความร้อนแบบ Real-Time รังสีเอ็กซ์สามารถทะลุผ่านวัสดุได้หลายชั้น ทำให้มองเห็นการแพร่กระจายของความร้อนผ่านรอยต่อของชั้นวัสดุได้อย่างชัดเจน
ทีมวิจัยได้ทดสอบเทคนิคนี้กับโครงสร้างชิปที่ใช้ชั้นแกลเลียมไนไตรด์ (Gallium Nitride) วางซ้อนบนชั้นซิลิคอน ซึ่งเป็นโครงสร้างที่วงการอุตสาหกรรมคาดหวังว่าจะมีศักยภาพในการนำความร้อนสูง ผลการตรวจวัดพบว่ารอยยับขนาดไมครอนที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการผลิต ส่งผลให้การระบายความร้อน ณ จุดนั้นลดลงถึง 4 เท่า และทำให้การระบายความร้อนข้ามชั้นวัสดุลดลง 25% ซึ่งสร้างการหยุดชะงักของการไหลของความร้อนมากกว่าที่เคยคาดการณ์ไว้ นอกจากนี้ ข้อบกพร่องดังกล่าวยังทำให้ความร้อนเคลื่อนที่ไปในทิศทางหนึ่งได้ง่ายกว่าอีกทิศทาง
ปรับปรุงโครงสร้างเพื่อชิปแห่งอนาคต
Mingda Li รองศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมนิวเคลียร์จาก MIT และผู้ร่วมเขียนรายงานวิจัยในวารสาร Nature Communications กล่าวว่า “ผู้พัฒนาชิปต้องการอุปกรณ์ที่สามารถจัดการกับความร้อนได้ ปัญหาความร้อนสะสมได้กลายเป็นคอขวดที่แท้จริงสำหรับประสิทธิภาพของอุปกรณ์ การใช้วิธีการวินิจฉัยแบบดั้งเดิมไม่สามารถเจาะลึกไปถึงระดับไมโครเมตรหรือนาโนเมตรได้ แต่ท้ายที่สุดแล้วนักพัฒนาต้องการศึกษาตัวนำความร้อนและทำความเข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าอะไรคือสาเหตุของความล้มเหลว เพื่อหลีกเลี่ยงจุดความร้อนสะสมเฉพาะที่และออกแบบอุปกรณ์ให้ดีขึ้น”
ข้อมูลเชิงลึกเหล่านี้ได้รับความสนใจจากกลุ่มความร่วมมือในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ชั้นนำในการนำเทคนิคนี้ไปประยุกต์ใช้กับชิปประเภทต่างๆ เนื่องจากการผลิตชิปแม้จะใช้วัสดุประเภทเดียวกัน แต่รูปทรงและการจัดวางโครงสร้างภายในที่ซับซ้อนก็ส่งผลต่อการไหลของความร้อนแตกต่างกัน การประเมินด้วยการวัดผลจากหน้างานจริงจะช่วยให้วิศวกรสามารถปรับปรุงการออกแบบเชิงความร้อนสำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความหนาแน่นสูงได้แม่นยำยิ่งขึ้น
ที่มา:
MIT