As comunicações via satélite, os sistemas de radar militar e as redes 5G das quais você dependerá em breve têm algo em comum. Os cientistas baseiam esses sistemas na microeletrônica – o projeto, a fabricação e o uso de circuitos integrados.
Um dos principais gargalos nos circuitos integrados é o autoaquecimento. Esses dispositivos aquecem devido ao efeito Joule que ocorre em seu interior. Assim como o seu celular, todos os aparelhos eletrônicos aquecem, e consequentemente sua vida útil diminui.
É necessário, portanto, medir a temperatura gerada por esses dispositivos e circuitos para compreender o tempo médio até a falha do componente.
O problema é que esses dispositivos existem em escala submicrométrica. Os engenheiros conseguiram miniaturizar esses dispositivos a um nível inferior aos limites dos termômetros e termopares físicos usados para medir temperaturas em escalas maiores.
Eles precisam encontrar uma maneira de medir essa temperatura em pequena escala.
Sukwon Choi, Ph.D., e Professor Assistente de Engenharia Mecânica na Universidade Estadual da Pensilvânia
Sukwon Choi, doutor em filosofia e professor assistente de Engenharia Mecânica na Universidade Estadual da Pensilvânia, encontrou uma solução.
“A falha é um fenômeno local”, disse Choi. “Assim como em um carro, se o pneu fura, o carro inteiro para. Se houver um ponto fraco no circuito e esse ponto falhar, todo o sistema falha. Da mesma forma, com esses transistores, se houver um ponto quente e a falha ocorrer nesse ponto quente local, o transistor para de funcionar.”
Esses pontos quentes térmicos têm comprimento na escala submicrométrica.
“Esses dispositivos microeletrônicos são propensos ao superaquecimento”, disse Choi. “É preciso ser capaz de medir essa temperatura para projetar sistemas de resfriamento ou para avaliar ou prever a vida útil do componente.”
A temperatura máxima local e a vida útil do dispositivo estão diretamente correlacionadas. Portanto, os cientistas precisam conhecer a temperatura para estimar o tempo médio até a falha ou a vida útil do componente.
Termômetros físicos são grandes demais para medir a temperatura local em um circuito. Esses dispositivos de última geração, baseados em microcircuitos para conversão de energia e comunicação sem fio, operam sob condições de alta tensão e alta corrente. Por motivos de segurança, não se deve tocar no dispositivo. O contato físico também interfere em seu funcionamento.
Choi usa a luz para medir a temperatura.
“Queremos uma técnica de termografia ou termometria não invasiva, sem contato e com alta resolução espacial”, disse ele. “E podemos fazer isso com luz usando espectroscopia micro-Raman. Basicamente, estamos inventando um termômetro óptico. Estamos aproveitando as capacidades da espectroscopia Raman para a termografia óptica.”
Como isso funciona?
A espectroscopia Raman investiga a frequência ou a energia dos fônons, ou vibrações quantizadas da rede cristalina. Um fônon é uma unidade discreta ou quantum de energia vibracional, assim como um fóton é um quantum de energia eletromagnética ou luminosa. Fônons e elétrons são os dois principais tipos de partículas elementares ou excitações em sólidos.
“Eles estão investigando a frequência dos fônons – a frequência dos átomos que oscilam dentro de um cristal ou sólido amorfo. Essa frequência de oscilação está diretamente relacionada à energia. A espectroscopia Raman mede essa frequência ou energia”, disse ele.
A espectroscopia Raman analisa a frequência ou a energia dos fônons. Os pesquisadores normalmente usam essa capacidade para estudar a estrutura dos materiais. No entanto, as vibrações da rede cristalina, ou fônons, estão relacionadas ao transporte térmico em sólidos e, portanto, à temperatura. A condução de calor em um sólido ocorre na forma de ondas vibracionais, de acordo com Choi.
“Para a eletrônica convencional, os transistores e diodos presentes em todos esses dispositivos eletrônicos de consumo são baseados em silício”, disse ele. “Mas para aplicações que exigem maior potência, maior corrente e maior tensão de operação, o silício tem suas próprias limitações em relação às suas propriedades de material. Um fator importante é a banda proibida eletrônica.”
Para esses dispositivos eletrônicos de alta frequência e alta potência, pesquisadores de microeletrônica têm buscado materiais com gaps de banda mais amplos para operação em frequências mais altas, altas tensões e maior potência. Esses pesquisadores têm se dedicado ao estudo do nitreto de gálio e do carbeto de silício nos últimos 10 anos.
“Os pesquisadores obtiveram grandes sucessos em termos de aplicações como veículos elétricos ou comunicações sem fio, comunicações via satélite e aplicações militares. Nosso foco principal é o nitreto de gálio.”
Agora, os cientistas estão investigando o que chamam de semicondutores de banda proibida ultralarga como a próxima geração para esses dispositivos eletrônicos de alta potência. Isso inclui materiais como nitreto de alumínio e gálio e óxido de gálio.
Materiais com maior gap de energia conduzem mais energia, permitindo o funcionamento de dispositivos sob condições de tensão mais elevadas. Um gap de energia maior se traduz em um campo elétrico crítico maior do material, o que significa que, para uma determinada espessura, ele pode tolerar tensões mais altas sem sofrer danos por superaquecimento.
Isso abre caminho para muitos aspectos favoráveis, como o desenvolvimento de sistemas menores e mais leves com maior eficiência, disse Choi.
Para itens como carros elétricos, os pesquisadores querem criar conversores de energia menores que consumam menos energia da bateria.
“No entanto, um dos principais obstáculos para o sucesso comercial de semicondutores de banda larga e banda ultralarga é o superaquecimento”, afirmou.
O microscópio confocal Raman LabRAM HR Evolution examina uma lâmina de silício.
Choi utiliza um microscópio confocal Raman HORIBA LabRAM HR Evolution com um filtro de frequência ultrabaixa (ULF) e uma fonte de laser pulsado personalizada. O filtro permite capturar o espalhamento Raman Stokes e anti-Stokes, proporcionando leituras de temperatura mais precisas. Choi utiliza as medições com o filtro ULF em conjunto com outros métodos para obter as leituras mais precisas possíveis.
“É possível analisar números de onda mais baixos e observar mais picos que podem ser utilizados para medir a temperatura e estudar o transporte térmico em escala subcontínua”, afirmou.
O professor, de voz suave e gentil, gesticula com as mãos, desenhando ondas imaginárias em um gráfico contra uma cortina preta. Barreiras pretas cercam o instrumento para eliminar a luz ambiente e permitir medições mais precisas.
LabRAM HR Evolution projetando-se para fora da caixa de proteção contra escurecimento no laboratório de Sukwon Choi na Universidade Estadual da Pensilvânia.
“O LabRAM possui uma distância focal maior em comparação com outros sistemas Raman, o que se traduz em maior resolução espectral, que por sua vez nos proporciona maior resolução de temperatura. Ele também possui excelentes capacidades de mapeamento”, disse Choi.
Sua pesquisa utiliza a espectroscopia Raman como uma solução singular para estudar problemas térmicos em micro/nanossistemas.
“Estamos aproveitando a capacidade da espectroscopia Raman para medição de temperatura em vez de caracterização estrutural, como fazem todos os outros, para que possamos entender o comportamento de autoaquecimento ou superaquecimento de dispositivos microeletrônicos de próxima geração”, disse ele. “Geralmente, esses dispositivos são baseados em semicondutores de banda proibida larga, como nitreto de gálio ou além, que serão usados em aplicações de alta potência e alta frequência, como conversão de energia para veículos elétricos, fontes de energia renováveis e amplificadores de potência de radiofrequência para aplicações de comunicação sem fio.”
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