DARPA وBAE تكملان المرحلة الأولى من تبريد أجهزة GaN بزيادة الكثافة القدرية خمسة أضعاف

أخبار ar.wedoany.com، أكملت منظمة أبحاث FAST Labs التابعة لشركة BAE Systems المرحلة الأولى من مشروع "تقنيات إزالة الحرارة في الإلكترونيات على مستوى الرقاقة" (Technologies for Heat Removal in Electronics at the Device Scale، THREADS) التابع لوكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة للدفاع الأمريكية (DARPA)، وتم اختيارها للمرحلة الثانية. يركز هذا المشروع على معضلة تبديد الحرارة في أجهزة نيتريد الغاليوم (GaN)، وهي أجهزة تُستخدم على نطاق واسع في أنظمة الرادار عالية الأداء، والحرب الإلكترونية، وأنظمة الاتصالات.

يؤدي رفع القدرة في الترانزستورات عالية التردد إلى توليد مزيد من الحرارة، وإذا لم يتم تصريف هذه الحرارة بفعالية، فإن أداء الترانزستور وموثوقيته سينخفضان، ولذلك غالباً ما تجد الأجهزة الإلكترونية صعوبة في العمل عند حدود قدرتها النظرية. أطلقت DARPA مشروع THREADS بهدف معالجة مشكلة التبريد من داخل الجهاز نفسه، بدلاً من الاعتماد فقط على أنظمة التبريد التقليدية المثبتة خارج الجهاز. يواجه المشروع تحديين تقنيين رئيسيين: الأول هو خفض المقاومة الحرارية داخل الترانزستور مع الحفاظ على الأداء الكهربائي؛ والثاني هو تصريف الحرارة بكفاءة من مناطق الترانزستور عالية القدرة دون الإضرار بالأداء عالي التردد.

يُعد GaN شبه موصل واسع الفجوة النطاقية، يمكنه العمل عند كثافات قدرة وترددات أعلى، مما يجعله مناسباً للرادارات الحديثة ذات المسح الإلكتروني النشط (AESA) وأنظمة الحرب الإلكترونية. وقد أشارت DARPA سابقاً إلى أن الكثافة القدرية لتقنية GaN ارتفعت بأكثر من خمسة أضعاف مقارنة بتقنيات الترانزستور المبكرة، لكن إذا تم التغلب على عنق الزجاجة في التبريد، فهناك مجال أكبر للنمو من الناحية النظرية. تهدف DARPA من مشروع THREADS إلى خفض المقاومة الحرارية بمقدار ثمانية أضعاف، والوصول بالكثافة القدرية لأجهزة اختبار الترانزستورات ومضخمات القدرة بنطاق التردد X إلى 81 واط/مم.

لحل مشكلة التبريد تأثير كبير على الأداء على مستوى النظام. وقد قدرت DARPA سابقاً أن معالجة القيود الحرارية يمكن أن تزيد مدى اكتشاف الرادار بمقدار مرتين إلى ثلاث مرات. ويُظهر أحدث تحديث للوكالة أن المشاركين في مشروع THREADS تمكنوا في المرحلة الأولى من رفع الكثافة القدرية عالية التردد بنحو خمسة أضعاف مقارنة بأحدث المستويات الحالية، وهو ما يعادل تقريباً مضاعفة مدى اكتشاف الرادار مع الحفاظ على الموثوقية المطلوبة للاستخدام العملياتي. ومع ذلك، لن تحقق كل رادار يعتمد تقنية THREADS تلقائياً مضاعفة المدى، إذ يعتمد الأداء الفعلي للرادار أيضاً على خصائص الهوائي، والتردد، وحجم الهدف، والظروف الجوية، ومعالجة الإشارات وعوامل أخرى.

تتابع BAE Systems الأعمال ذات الصلة في مركزها للإلكترونيات الدقيقة الواقع في ناشوا بولاية نيوهامبشير، والذي يقوم بتطوير وتصنيع دوائر GaN وأرسينيد الغاليوم المتكاملة للتطبيقات الدفاعية. ويُجرى مشروع THREADS بالتعاون مع شركة Modern Microsystems وباحثين من جامعة ولاية بنسلفانيا، وجامعة ستانفورد، وجامعة نوتردام، وجامعة تكساس في دالاس.

يُعد مشروع THREADS جزءاً من أبحاث طويلة الأمد لتعزيز قدرات تبديد الحرارة في أجهزة GaN الإلكترونية. وقد عرضت DARPA سابقاً من خلال مشروع "نقل الحرارة القريب من الوصلة" (Near Junction Thermal Transport) ترانزستورات GaN قائمة على ركائز الماس، مستفيدةً من الموصلية الحرارية العالية للماس لخفض درجة حرارة وصلة الترانزستور. وبناءً على ذلك، يواصل مشروع THREADS دراسة المواد، وهياكل الأجهزة، وطرق التبريد المباشر على مستوى الترانزستور. بالنسبة لشركة BAE Systems، فإن الانتقال إلى المرحلة الثانية يعني الانتقال من الأبحاث الأولية إلى مزيد من التطوير والتحقق من صحة الحلول التقنية، بهدف نهائي لا يقتصر على الحصول على ترانزستورات بدرجات حرارة أقل فحسب، بل تحقيق أجهزة عالية التردد قادرة على إنتاج قدرة أعلى بكثير دون زيادة الحجم، أو المساس بالموثوقية، أو الخضوع للقيود الحرارية.