Технології та наука Старовинна техніка обробки дерева врятує сучасну електроніку від перегріву: до чого дійшли вчені (фото)
Вчені з Китаю розробили новий тип механічного з'єднання для електронних пристроїв, вивчивши традиційні столярні з'єднання. Їхньою метою було вирішити одну з головних проблем в електроніці: неефективну передачу тепла та електрики між різними матеріалами всередині таких пристроїв, як процесори, світлодіоди, електромобілі та швидкі зарядні пристрої.
Електронні системи зазвичай складаються з багатьох шарів і деталей, виготовлених з різних матеріалів. Ці матеріали повинні щільно стикатися, щоб струм та тепло могли ефективно переміщатися між ними. У багатьох випадках інженери просто стискають матеріали, утворюючи так звані механічні з'єднання. Однак цей метод часто створює нерівні контактні поверхні, що уповільнює рух електронів і теплових коливань, відомих як фонони.
У Фокус.Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!
Коли струм та тепло не можуть належним чином переміщатися через ці з'єднання, електричний опір збільшується. Цей додатковий опір створює небажане тепло, знижує енергоефективність, пошкоджує внутрішні деталі, а в крайніх випадках може навіть призвести до виходу пристроїв з ладу або їх перегріву.
Відео дня
Дослідницька група з Південно-Східного університету запропонувала нове рішення, натхненне столярними техніками, що використовуються століттями в дерев'яному виробництві.
Головний дослідник Менглон Хао пояснив, що на проєкт вплинули стародавні інженерні методи. Він сказав: "Мене завжди вражало, наскільки розумними були деякі стародавні/традиційні інженерні рішення".
Команда зосередилася на столярних з'єднаннях, таких як шпунтові та пальцеві з'єднання. Ці методи вже давно дозволяють столярам міцно з'єднувати крихкі дерев'яні деталі, не пошкоджуючи їх. Дослідники адаптували ці конструкції для мікроскопічного застосування в електроніці, зменшивши структури до крихітних візерунків, придатних для кремнієвих мікросхем та сучасних компонентів.
За словами Хао, "ці структури забезпечили дуже високу контактну провідність, як електричну, так і теплову".
Однією з головних проблем охолодження електронних пристроїв є те, що кремнієві мікросхеми є делікатними. Сильний тиск може покращити контакт між матеріалами, але надмірний тиск може призвести до тріщин або пошкодження мікросхеми. Нові конструкції, натхненні столярним мистецтвом, вирішили цю проблему по-іншому. Замість того, щоб покладатися лише на пряме стиснення, вони перетворили стискаюче напруження на зсувне.
Зсувне напруження діє як бічна сила. Ця сила допомагала електронам і фононам рухатися крізь тонкі ізолюючі поверхневі шари, які називаються діелектричними бар’єрами. В результаті електрика та тепло ефективніше передавалися між матеріалами.
Дослідники протестували нові з'єднання, використовуючи світлодіодні компоненти. Експерименти показали значні поліпшення. Температура всередині мікросхеми знизилася на 44 градуси Цельсія порівняно зі стандартними з'єднаннями, які зараз використовуються в електроніці.
Хао зазначив, що одним із найважливіших висновків дослідження стало те, що тип прикладеної сили має таке ж значення, як і величина самого тиску. Він пояснив, що зсувне напруження, спричинене тертям, створює набагато кращу провідність енергії, ніж простий вертикальний тиск.
Дослідники вважають, що ця технологія з часом може покращити багато продуктів, зокрема комп'ютерні процесори, великі світлодіодні системи, дисплеї, обладнання для сонячної енергетики, вітрогенератори, швидкі зарядні пристрої та електромобілі. Краща теплопередача може допомогти пристроям служити довше, споживати менше енергії та працювати безпечніше.
Інші новини науки
- Учені та експерти з питань надзвичайних ситуацій роками вивчають способи зменшення збитків, спричинених виверженнями вулканів. Іноді з'являються навіть радикальні методи.
- У Антарктиді дослідник з південнокорейської станції Чан Бого погрожував колегам саморобним ножем. Цей випадок вкотре викликав занепокоєння щодо психологічного тиску, якому піддаються люди, що місяцями живуть в одному з найвіддаленіших місць на Землі.
Під час написання цього матеріалу використано матеріали Science X, Nature Electronics.