Công nghệ chế tạo chất bán dẫn mang lại lợi ích cho việc điều khiển nhiệt

Công nghệ chế tạo chất bán dẫn mang lại lợi ích cho việc điều khiển nhiệt Điều khiển nhiệt hay còn gọi là tản nhiệt, là vấn đề ngày càng trở nên quan trọng đối với các chất bán dẫn. Ở mức độ trung bình, vấn đề về tản nhiệt có thể giải quyết được với nhiều cách thức khác nhau bao gồm những đường ống tản nhiệt. Nhưng đây là một hướng tiếp cận không mấy thuận lợi, trước hết là theo ý kiến của ông Paul Magill thuộc phòng phát triển kinh doanh và thương mại của tổ chức Nextreme. Ông cho rằng: “Chỉ một vài điểm rất nhỏ trên vi xử lý có nhiệt độ cao thì phương pháp điều khiển nhiệt truyền thống có thể làm mát toàn bộ vi xử lý. Tuy nhiên việc này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của vi xử lý, mà nhiệt lượng của VXL sẽ chuyển ra môi trường bên ngoài và quá trình làm việc của máy tính sẽ không hiệu quả.” Giải pháp của Nextreme là định vị các phần tử ở phạm vi kích thước Micrô-mét. Ông nói: “Chúng tôi có thể làm mát VXL ngay tại điểm tạo ra nguồn nhiệt”. Và giải pháp này được sử dụng trong hiệu ứng Peltier, dựa trên công nghệ nhiệt điện màng mỏng, mà tổ chức gọi đó là “Va chạm nhiệt”. Nextreme là một tổ chức thành lập được bốn năm, một nhánh của Viện Nghiên cứu Tam hợp ở phía Bắc Carolina, có thế mạnh về IP với khoảng 30 bằng sáng chế được chấp nhận và được ứng dụng rộng rãi trên thực tế. Tuy nhiên vấn đề quan trọng thứ hai là làm sao để liên kết được với các quy trình công nghệ chế tạo”. Nhưng đó không hoàn toàn là nhiệm vụ của Nextreme mà cũng phụ thuộc vào một nhánh còn lại là tổ chức NASA's JP. Theo nhận định của ông Magill thì hiện nay chưa thể nghiên cứu chế tạo và đưa vào sử dụng công nghệ nhiệt điện mới. Ông chỉ rõ: “Công nghệ này đã đi vào khoảng hơn 60 năm, và sau đó cũng có một số những cải tiến mới, nhưng chưa có một công nghệ kĩ thuật nào thực sự thay đổi mang tính cách mạng”. Về mặt truyền thống thì công nghệ này được ứng dụng rất nhiều hệ thống viễn thông và hệ thống quang từ rất lâu đời. Ông Magill cho rằng: “ Các chấm hình cầu như trên hình vẽ cho thấy ổ cứng máy tính được chế tạo theo kiến trúc vi mô nhưng sử dụng bộ làm mát dựa trên phương pháp nhiệt điện bị hạn chế hơn do chúng quá lớn và có chi phí rất đắt. Tuy nhiên, công nghệ màng mỏng hiện đại sẽ cho phép chúng ta phân vùng nhỏ hơn nữa giữa các linh kiện của các thiết bị.” Ông tin rằng đây sẽ là một biện pháp có chức năng tương tự như việc sử dụng Silic trong mạch tích hợp, mang đến những thời cơ mới. Trong khi các sản phẩm đầu tiên của Nextreme xuất xưởng tháng 1 năm 2008 với mục tiêu là ứng dụng trong thông tin quang thì các sản phẩm khác đang được nghiên cứu để phát triển các thiết bị làm mát cho VXL. Cho đến nay, Nextreme là lựa chọn chủ chốt trong đề án với tập đoàn Intel, nghiên cứu những khả năng có thể xảy ra. Ông giải thích rằng: “Khi nhìn vào thế giới điện tử, nhất là về phương pháp lắng đọng vật liệu trong đó vấn đề điều khiển nhiệt quan trọng nhất là phương pháp lắng đọng vật liệu, nhưng các công ty kĩ thuật điện tử thường không sử dụng các bộ làm mát dựa trên phương pháp nhiệt điện cho những sản phẩm của họ. Vì vậy chúng tôi đang nghiên cứu tìm kiếm làm cách nào để tích hợp các hệ thống làm mát trên VXL”. Đề án phát triển cũng là một cách giải quyết vấn đề khi chúng ta thấy rằng hiện nay công nghệ chế tạo chíp-lật đang được đưa vào sử dụng. Việc cộng tác với tập đoàn Intel vừa có thể đưa tổ chức phát triển đến một xu hướng mới để tích hợp các công nghệ này. Ông cũng nói rằng Nextreme nhận thấy một lượng đáng kể các chíp-lật sản xuất dư thừa, đặc biệt là về mặt công suất tiêu thụ và khả năng tiếp đất. “Có khoảng 7000 điểm làm việc trong một gói nhưng chỉ có khoảng 300 điểm sử dụng cho tín hiệu, những điểm còn lại đều dư thừa. Chúng ta có thể làm mát những con chíp này bằng cách phân vùng 10 hoặc 20 điểm nhiệt thành một cụm và có kích thước khoảng 250µm. Chiến dịch lâu dài của chúng tôi là nghiên cứu tìm ra những thiết kế phù hợp cho những vị trí mà tại đó nhiệt độ tăng lên rất cao kể cả những điểm làm việc nhiệt điện”. Nextreme đang theo đuổi hướng phát triển này mặc dù ông Magill thừa nhận rằng việc làm mát dựa trên phương pháp nhiệt điện gây xôn xao trong giới tiêu dùng. “Do người dân thường sử dụng gần nguồn nhiệt có công suất lớn. Nếu chúng ta thiết kế vị trí có khoảng không trao đổi nhiệt bên ngoài phù hợp thì nhiệt độ làm mát sẽ chỉ từ 8 đến10°, chứ không phải từ 50 đến 70°." Nhưng ông cũng khẳng định: “Cần lưu ý rằng vấn đề tản nhiệt đang ngày càng trở thành một vấn đề mang tính toàn cầu và không lâu nữa nó sẽ trở thành nhân tố quyết định”. Tiêu biểu nhất là những hệ làm mát theo phương pháp nhiệt điện có bề dày từ khoảng 5 đến 25µm và được chế tạo tương thích với các cấu trúc dựa trên công nghệ chất bán dẫn. Ông Magill giải thích: “Có hai phần tử mang nhiệt, một là Phonon ánh sáng, nếu chúng tồn tại và dao động lượng tử có giới hạn nhưng không theo phương nhất định và sinh ra lượng nhiệt dư thừa. Phần tử thứ hai chính là các điện tử, tuy nhiên chúng ta có thể sử dụng một số các vật liệu khác để tản nhiệt.” Sự khác biệt của vật liệu bán dẫn là ở chỗ là dòng nhiệt có thể sinh ra có định hướng. Điện tử có thể chuyển nhiệt từ mặt này thông qua mặt còn lại, nhưng đường dẫn quay trở lại thì mới thực sự có tác dụng. Điều này yêu cầu hai loại vật liệu khác nhau, trong đó một loại đóng vai trò chính là vận chuyển các điện tử, loại còn lại đóng vai trò vận chuyển lỗ trống. Vì thế chúng ta cần loại bán dẫn p-n. Quá trình bắt đầu xảy ra khi màng mỏng Bismuth Teluric cấy ghép với một loại vật liệu khác để tạo thành những hạt tải p-n. Màng mỏng là một dạng đơn tinh thể và chúng ta có thể kích thích chúng bằng cách nhường điện tử hoặc nhận điện tử. Với mục đích nghiên cứu so sánh hệ thống làm mát dạng màng mỏng với các nghiên cứu khác, Nextreme sử dụng sức nóng lớn mật độ dày đặc như một ma trận. Ông cho rằng: “ Với các bộ làm mát nhiệt điện thì áp suất đặc trưng từ 10 đến 13 W/cm2, nhưng chúng tôi có thể chế tạo các thiết bị chịu được áp suất lớn hơn đến 120W/cm2. Đây là một bước cải tiến mới vì áp suất tỉ lệ nghịch với chiều dày của vật liệu”. Trong phạm vi các thiết bị rời rạc của Nextreme thì thiết kế nhiệt điện UPF40 ứng dụng điều khiển nhiệt và tốc độ làm mát bằng các thiết bị quang tử học. Là một thành viên trong gia đình Hệ làm mát quang học, thiết kế này có thể chịu tỷ trọng nhiệt cỡ 72W/cm2 ở 25°C, và nhiệt lượng sẽ giảm 3.7W khi sử dụng diện tích điểm làm việc hiệu ứng kích cỡ khoảng 5.1mm2. Và thiết bị cuối cùng là hệ thống làm mát quang HV14, được biết đến như thiết kế đầu tiên trong chuỗi thiết bị mới sản xuất với điện thế cao và các hệ thống làm mát có bơm nhiệt điện công suất lớn, hoạt động ở dòng điện thấp, thiết kế này được xem là rất khả quan thỏa mãn những yêu cầu khắt khe về tiêu chuẩn dòng điện và công suất. Theo Nextreme, công suất thiết bị có thể đạt tới 1.5W tại nhiệt độ 85°C và vẫn có tác dụng tại điện thế lớn nhất khoảng 2.7V với dòng điện lớn nhất cỡ 1A. Với diện tích điểm làm việc cỡ 2.8mm2, thiết kế này sử dụng cùng các thiết bị điều khiển nhiệt và làm mát bằng quang điện tử. Về mặt giới hạn công nghệ, khi va chạm càng lớn thì dòng điện cần dùng để điều khiển các va chạm này càng lớn, vì vậy cần thống kê một số hạn chế về mặt vật lý và tìm ra những giải pháp cho những hạn chế này. Khi chúng ta làm giảm các va chạm thì dòng điều khiển các va chạm này cũng giảm theo. Với kích thước điểm làm việc khoảng 100µm chúng ta có giá trị dòng điện hơn và điện thế lại cao hơn, nhưng chỉ có cùng giá trị công suất làm mát như nhau. Công nghệ của Nextreme đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, không chỉ trong kĩ thuật tản nhiệt mà nó được ứng dụng ngược trở lại. Sử dụng hiệu ứng Seebeck, nhiệt lượng hao phí có thể tác dụng ngược trở lại dòng điện, công suất tính được nhìn chung lớn hơn 3W/cm2. Ngoài các phát minh phát triển năng suất và công suất làm mát với hệ làm mát riêng rẽ, Nextreme cũng đáp ứng nhu cầu cho việc tích hợp hệ làm mát ở mặt còn lại và ở mặt đế. Ông Magill kết luận: “Công nghệ của chúng tôi có thể phù hợp với bất cứ kích cỡ nào.”