DARPA e BAE concluem primeira fase de dissipação de calor em dispositivos GaN com aumento de cinco vezes na densidade de potência

De acordo com pt.wedoany.com-A organização de pesquisa FAST Labs, da BAE Systems, concluiu a primeira fase do projeto "Technologies for Heat Removal in Electronics at the Device Scale" (THREADS), da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA (DARPA), e foi selecionada para a segunda fase. O projeto tem como foco o desafio da dissipação de calor em dispositivos de nitreto de gálio (GaN), amplamente utilizados em sistemas de radar de alto desempenho, guerra eletrônica e comunicações.

O aumento da potência dos transistores de radiofrequência gera mais calor e, se esse calor não for dissipado de forma eficaz, o desempenho e a confiabilidade dos transistores diminuem, o que muitas vezes impede que os dispositivos eletrônicos operem em seu limite teórico de potência. A DARPA criou o projeto THREADS com o objetivo de resolver o problema da dissipação de calor no interior do dispositivo, em vez de apenas adicionar sistemas de resfriamento convencionais externamente. O projeto enfrenta dois grandes desafios técnicos: primeiro, reduzir a resistência térmica interna dos transistores mantendo o desempenho elétrico; segundo, extrair eficientemente o calor das regiões de transistores de alta potência sem degradar o desempenho de radiofrequência.

O GaN é um semicondutor de banda larga que pode operar em densidades de potência e frequências mais altas, sendo adequado para radares modernos de varredura eletrônica ativa (AESA) e sistemas de guerra eletrônica. A DARPA observou anteriormente que, em comparação com as tecnologias de transistores mais antigas, a densidade de potência do GaN já aumentou mais de cinco vezes, mas, se o gargalo da dissipação de calor for superado, há teoricamente espaço para melhorias ainda maiores. A meta da DARPA para o projeto THREADS é reduzir a resistência térmica em oito vezes e alcançar uma densidade de potência de 81 W/mm em transistores de banda X e dispositivos de teste de amplificadores de potência.

A solução do problema de dissipação de calor tem um impacto significativo no desempenho em nível de sistema. A DARPA estimou anteriormente que superar as limitações térmicas poderia aumentar o alcance de detecção de radares em duas a três vezes. A atualização mais recente da agência mostra que os participantes do projeto THREADS, na primeira fase, já aumentaram a densidade de potência de radiofrequência em cerca de cinco vezes em relação ao estado da arte atual, o que equivale a aproximadamente dobrar o alcance de detecção de radares, mantendo ao mesmo tempo a confiabilidade necessária para uso operacional. No entanto, nem todo radar que adotar a tecnologia THREADS terá automaticamente o alcance dobrado; o desempenho real do radar também depende de fatores como características da antena, frequência, tamanho do alvo, condições atmosféricas e processamento de sinais.

A BAE Systems está avançando com o trabalho em seu centro de microeletrônica em Nashua, New Hampshire, que desenvolve e fabrica circuitos integrados de GaN e arsenieto de gálio para aplicações de defesa. Seu projeto THREADS é conduzido em colaboração com a Modern Microsystems e pesquisadores da Universidade Estadual da Pensilvânia, Universidade Stanford, Universidade de Notre Dame e Universidade do Texas em Dallas.

O projeto THREADS faz parte de uma pesquisa de longo prazo para melhorar a capacidade de dissipação de calor em dispositivos eletrônicos de GaN. A DARPA demonstrou anteriormente transistores de GaN sobre substrato de diamante por meio do projeto "Near Junction Thermal Transport", utilizando a alta condutividade térmica do diamante para reduzir a temperatura de junção dos transistores. Com base nisso, o THREADS aprofunda a pesquisa sobre materiais, estruturas de dispositivos e métodos de dissipação de calor diretamente no nível do transistor. Para a BAE Systems, avançar para a segunda fase significa passar da pesquisa inicial para o desenvolvimento e a validação adicionais da solução técnica, com o objetivo final não apenas de obter transistores com temperaturas mais baixas, mas de alcançar dispositivos de radiofrequência capazes de gerar potência significativamente maior sem aumentar o volume, sem reduzir a confiabilidade e sem limitações térmicas.