Одна из самых и сложных задач, решаемых при разработке электронной аппаратуры, — отвод тепла, рассеиваемого электронным средством (ЭС). При современной устойчивой тенденции к уменьшению габаритов ЭС острота этой проблемы не снижается, а постоянно возрастает тем сильнее, чем больше мощность устройства и чем меньше его физический объем [1, 2].
Для изготовления систем охлаждения (СО) ЭС используют материалы с высокой теплопроводностью и малым тепловым сопротивлением [3]. Однако по прогнозам специалистов, классические СО изготовленные из алюминия и меди вскоре не смогут обеспечивать нормальный тепловой режим ЭС. Пытаясь решить нарастающую проблему, учёные проводят исследования направленные на создание различных композитных материалов с более высокими теплофизическими характеристиками.
В 2004 году двое российских ученых — Константин Новоселов и Андрей Гейм добились грандиозных успехов, им удалось получить материал с уникальными свойствами — графен. О свойствах графена ученые знали давно, но проблема заключалась в том, как его получить. Новоселов и Гейм решили эту проблему с помощью липкой ленты.
Графен является двухмерным материалом с гексагональной кристаллической структурой, он отличается необычными механическими и электрическими свойствами. По прочности на разрыв он превосходит сталь в 200 раз, скорость электропроводности сопоставима со скоростью света, а масса пленки графена толщиной в один атомный слой размером с футбольное поле составляет менее 1 г. Удельное электрическое сопротивление этого материала при комнатной температуре равно ~1 мкОм·см, что на 35 % меньше, чем у меди. Уникальные электронные свойства графена проявляются и в оптике. Его теплопроводность в 10 раз больше чем у меди [4]. В кристаллическая структуре графена атомы углерода выстроены в решётку -это так называемые «пчелиные соты» [5].
Возможность использования графена для отвода тепла от элементов электроники обсуждается довольно давно. В опытах, проведённых в 2008 году, коэффициент теплопроводности подвешенного однослойного графена при комнатной температуре достигал 3000–5000 Вт•м-1•К-1. Это значение превосходит показатели алмаза, одного из лучших проводников тепла. Измерение теплопроводности графена проводят с помощью бесконтактного метода конфокальной микро-рамановской спектроскопии [1].
Недавно было открыто удивительное свойство графена, которое делает возможным изготовление практически идеального теплоотвода: слой углерода толщиной в один атом может служить «посредником», позволяющим выращивать вертикальные нанотрубки почти на любой поверхности, в том числе и на поверхности алмаза. Можно спрогнозировать, что нанотрубки несложно получить и на поверхности теплоотводов из алюминия и меди. Таким образом, превратив их в радиатор с развитой поверхностью.
Результаты исследования, проведенного университетом Rice совместно с компанией Honda, позволят выращивать нанотрубки на подложках, которые раньше считались для этого совершенно непригодными. Ученые продемонстрировали это, вырастив нанотрубки на поверхности алмаза. Алмаз очень хорошо, в пять раз лучше меди, проводит тепло. Но площадь его поверхности, излучающей это тепло, очень мала. Графен, наоборот, фактически состоит только из поверхности. То же можно сказать и об углеродных нанотрубках, которые представляют собой скрученный в трубки графен. Лес вертикальных нанотрубок, выращенных на поверхности алмаза, будет рассеивать тепло как радиатор, имеющий миллионы ребер. Такой ультратонкий теплоотвод даст возможность существенно сэкономить пространство в компактных микропроцессорных устройствах. Ученые из исследовательского института компании Хонда выращивали графен на медной фольге стандартным методом осаждения из паровой фазы. Затем они переносили листы графена с фольги на поверхности образцов из алмаза, кварца и различных металлов. Для дальнейших исследований образцы передавались в университет Райса, где на них выращивали нанотрубки. Хорошие результаты были получены только с однослойным графеном, причем дефектные– волнистые и морщинистные — листы работали лучше всего. Дефекты графена захватывали распыленные частицы катализатора на основе железа, на которых и начинали расти нанотрубки. Как считают исследователи, графен способствовал росту нанотрубок, препятствуя скоплению частиц катализатора в группы. Гибридная структура из графена и нанотрубок, выращенных на металлическом субстрате (например, меди), имеет высокую общую электрическую проводимость [6, 9–17].
Таким образом, графен обладает всеми нужными свойствами для эффективного отвода тепла, но на сегодняшний день он очень дорогостоящий, так как отсутствует эффективного способа его получения для внедрения в промышленное производство. Между тем работа большого количества ученых в области получения графена в промышленных масштабах, позволяет рассчитывать на появление в скором времени нового класса теплоотводов и систем охлаждения ЭС. Такие теплоотводы будут обладать рекордно низким значением теплового сопротивления, что приведет к снижению нагрузки на кристалл теплонагруженного элемента [7,8, 18–27].
Литература:
1. Владимир Коснырёв. Теплопроводные материалы компании Bergquist [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.power-e.ru/2008_2_118.php
2. Горячев Н. В. Концепция создания автоматизированной системы выбора теплоотвода электрорадиоэлемента / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. 2010. № 11. С. 171–176.
3. Меркульев А. Ю. Системы охлаждения полупроводниковых электрорадиоизделий / А. Ю. Меркульев, Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Молодой ученый. — 2013. — № 11. — С. 143–145.
4. В.Юдинцев «Наноэлектроника стремительно набирает силы»// Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 2009.С.82
5. Новоселов К. С. Графен: материалы Флатландии / Новоселов К. С. // Успехи физических наук. 2011. Т. 181. № 12. С. 1299–1311.
6. Майк Уильямс, Рут Дэвид. Бриллианты, нанотрубки найти общий язык в графене. Bergquist [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://news.rice.edu/2013/05/28/diamonds-nanotubes-find-common-ground-in-graphene/
7. Горячев Н. В. Программа инженерного расчёта температуры перегрева кристалла электрорадиокомпонента и его теплоотвода / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 242–243.
8. Андреев П. Г. / Моделирование переотражателей радиолучевых систем обнаружения. / Автореферат диссертации на соиск. уч. степ. канд. техн. наук: — Пенза: ПГУ, 2005 г. — 22 с.
9. Горячев Н. В. Тепловая модель сменного блока исследуемого объекта / Н. В. Горячев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 263–263.
10. Горячев Н. В. Алгоритм функционирования компьютерной программы стенда исследования теплоотводов/ Граб И. Д., Горячев Н. В., Лысенко А. В., Юрков Н. К.//Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 1. С. 244–246.
11. Горячев Н. В. Структура автоматизированной лаборатории исследования теплоотводов / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 119–120.
12. Андреев П. Г. Применение CAD систем в проектировании радиоэлектронных средств / П. Г. Андреев, Н. А. Талибов, П. М. Осипов // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2007. Т. 1. С. 146–148.
13. Горячев Н. В. Концептуальное изложение методики теплофизического проектирования радиоэлектронных средств / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. 2013. № 17. С. 214–215.
14. Андреев П. Г. Микропроцессорные системы в учебном процессе / П. Г. Андреев, И. Ю. Наумова, Н. К. Юрков, Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2009. Т. 1. С. 161–164.
15. Горячев Н. В. Подсистема расчета средств охлаждения радиоэлементов в интегрированной среде проектирования электроники / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. А. Рыжов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2010. № 4. С. 25–30.
16. Горячев Н. В. К вопросу выбора вычислительного ядра лабораторного стенда автоматизированного лабораторного практикума / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. 2009. № 10. С. 128–130.
17. Трифоненко И. М. Обзор систем сквозного проектирования печатных плат радиоэлектронных средств / И. М. Трифоненко, Н. В. Горячев, И. И. Кочегаров, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 396–399.
18. Горячев Н. В. Автоматизированный выбор системы охлаждения теплонагруженных элементов радиоэлектронных средств / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, К. С. Петелин, В. А. Трусов, И. И. Кочегаров, Н. К. Юрков // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2013. № 4. С. 136–143.
19. Сивагина Ю. А. Обзор современных симплексных ретрансляторов радиосигналов/ Ю. А. Сивагина, И. Д. Граб, Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 74–76.
20. Горячев Н. В. Проектирование топологии односторонних печатных плат, содержащих проволочные или интегральные перемычки / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 122–124.
21. Горячев Н. В. Индикатор обрыва предохранителя как элемент первичной диагностики отказов РЭА / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 78–79.
22. Горячев Н. В. Программные средства теплофизического проектирования печатных плат электронной аппаратуры / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Молодой ученый. 2013. № 10. С. 128–130.
23. Андреев П. Г. Основы проектирования электронных средств:учеб. пособие/П. Г. Андреев, И. Ю. Наумова//Пенза:Изд-во ПГУ, 2010.-124 с.
24. Падолко Е. П. Основные понятия имитационного моделирования и построение имитационной модели системы массового обслуживания / Е. П. Падолко //Современные информационные технологии. 2012. № 15. С. 43–45.
25. Горячев Н. В. Совершенствование структуры современного информационно-измерительного комплекса / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Инновационные информационные технологии. 2013. Т. 3. № 2. С. 433–436.
26. Горячев Н. В. Алгоритм функционирования системы поддержки принятия решений в области выбора теплоотвода электрорадиоэлемента / Н. В. Горячев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 238–238.
27. Горячев Н. В. Типовой маршрут проектирования печатной платы и структура проекта в САПР электроники Altium Design / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 120–122.
