Représentation schématique du transport thermique pour les petites dimensions de chauffage. Ondes vibratoires, ou phonons, qui se déplacent parallèlement à la surface ne contribuent pas à refroidir la région chaude lorsque ses dimensions sont petites car ils peuvent traverser son petit diamètre sans interagir avec elle. La surface revêtue de métal empêche les phonons se déplaçant perpendiculairement à la surface de traverser la région chauffée sans interaction. Crédit :Richard Wilson, Université de l'Illinois
Les considérations thermiques deviennent rapidement l'une des contraintes de conception les plus sérieuses en microélectronique, en particulier sur des longueurs d'échelle submicronique. Une étude menée par des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a montré que les modèles thermiques standard conduiront à la mauvaise réponse dans un problème de transfert de chaleur tridimensionnel si les dimensions de l'élément chauffant sont de l'ordre d'un micron ou moins. .
"Comme les matériaux rétrécissent, les règles régissant le transfert de chaleur changent également, " a expliqué David Cahill, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Illinois. « Notre compréhension actuelle du transport thermique à l'échelle nanométrique n'est pas suffisamment nuancée pour prédire quantitativement quand la théorie standard ne fonctionnera pas. Cela peut avoir un impact sur la conception de dispositifs RF haute puissance qui sont largement utilisés dans l'industrie des télécommunications, par exemple, Infrastructure sans fil 4G. L'espacement des transistors dans les appareils RF se rapproche rapidement des échelles de longueur où la théorie basée sur la diffusion de la chaleur ne sera pas valide, et les modèles d'ingénierie actuellement utilisés ne prédisent pas avec précision la température de fonctionnement de l'appareil. La température est un facteur clé pour prédire le temps moyen avant défaillance."
"Nos recherches portent sur la compréhension de la physique du transport thermique à des échelles de longueur submicroniques en présence d'une interface, " a expliqué Richard Wilson, auteur principal de l'étude publiée dans Communication Nature . "Notre étude s'est concentrée sur une variété de cristaux qui ont des différences contrôlées dans les propriétés de transport thermique, tels que Si, Si dopé, et alliages SiGe, " a déclaré Wilson. "Nous avons recouvert ces cristaux d'un mince film métallique, chauffé la surface avec un faisceau laser, puis enregistré l'évolution de la température de l'échantillon.
"Sur des échelles de longueur plus courtes que les chemins libres moyens des phonons du cristal, la chaleur est transportée par balistique, pas de manière diffuse. Les interfaces entre les matériaux compliquent encore le problème du transfert de chaleur en ajoutant une résistance thermique supplémentaire. »
Les chercheurs ont découvert que lorsque le rayon du faisceau laser utilisé pour chauffer les cristaux recouverts de métal était supérieur à dix microns, les prédictions faites en supposant que la chaleur est transportée de manière diffusive correspondaient aux observations expérimentales. Cependant, lorsque le rayon approchait d'un micron, la théorie diffusive a surestimé la quantité d'énergie emportée par la surface chauffée.
"Nous avons découvert des différences fondamentales dans la façon dont la chaleur est transportée sur de courtes et longues distances. Théorie de Fourier, qui suppose que la chaleur est transportée par diffusion, prédit qu'un cristal cubique comme le silicium transportera aussi bien la chaleur dans toutes les directions. Nous avons démontré qu'à de courtes échelles de longueur, la chaleur n'est pas aussi bien transportée dans toutes les directions. En mesurant la température de la surface de l'échantillon en fonction de la distance par rapport au centre de la zone chauffée, nous avons pu déterminer la distance parcourue par la chaleur parallèlement à la surface, et en déduire que, lorsque les dimensions du radiateur sont petites, beaucoup moins de chaleur est transportée parallèlement à la surface que ne le prédit la théorie de Fourier, " a déclaré Wilson.
Wilson et Cahill ont également étudié l'effet des interfaces sur le transport thermique à l'échelle nanométrique.
"Il est bien connu depuis 75 ans que la présence d'une frontière ajoute une résistance thermique de frontière au problème de transfert de chaleur, mais il a toujours été supposé que cette résistance limite était localisée à l'interface et indépendante des propriétés de transport thermique du matériau sous-jacent, " Cahill a ajouté. "Nos expériences montrent que ces hypothèses ne sont généralement pas valables. En particulier pour les cristaux présentant des défauts, la résistance aux limites est distribuée et fortement dépendante de la concentration de défauts. "
Wilson et Cahill ont également fourni une description théorique de leurs résultats qui peut être utilisée par les ingénieurs d'appareils pour mieux gérer la chaleur et la température dans les appareils à l'échelle nanométrique.
