Чипы для смартфонов выдержали в 12 раз большую мощность: новая архитектура снимает ограничение акустических устройств

Учёные из Гонконгского университета науки и технологий создали Layered Acoustic Wave, которая снижает нагрев на 70% и позволяет акустическим чипам работать при плотности мощности 36,4 Вт/мм2

Учёные из Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) разработали архитектуру акустических чипов Layered Acoustic Wave (LAW), которая позволяет миниатюрным устройствам внутри смартфонов выдерживать более чем в 12 раз большую нагрузку по мощности без перегрева и потери стабильности.

В испытаниях технология снизила рост температуры на 70% и достигла рекордной плотности мощности 36,4 Вт/мм2.

Акустические устройства — чипы, которые преобразуют электромагнитные сигналы в звуковые колебания на гигагерцевых частотах и используются для фильтрации радиосигналов в смартфонах и базовых станциях. Они позволяют разместить высокочастотные системы на маленькой площади, поскольку звук распространяется примерно в 100 000 раз медленнее света. Однако десятилетиями такие компоненты оставались ограниченными режимами низкой мощности.

При высокой мощности в акустических чипах возникают несколько проблем: из-за механического напряжения и нагрева начинается «акустомиграция» — перемещение атомов металла в электродах, которое приводит к дефектам. Кроме того, нагрев меняет скорость распространения звука и вызывает смещение рабочей частоты; сильное напряжение может повредить пьезоэлектрическую плёнку. Ранее инженеры пытались решить проблему за счёт дорогих теплоотводящих материалов вроде карбида кремния или алмаза, но основная зона нагрева оставалась в верхнем слое устройства.

LAW меняет конструкцию этой области: вместо открытой поверхности команда добавила композитный верхний слой из диоксида кремния и толстого слоя аморфного кремния. Он одновременно перераспределяет механическое напряжение, снижая пиковую нагрузку на электрод примерно в 4 раза, отводит тепло и компенсирует температурные изменения, сохраняя стабильность частоты. При этом новая архитектура не ухудшила характеристики: рабочая частота выросла примерно на 25%, а потери при распространении сигнала снизились примерно на 30%.

В испытаниях LAW-транзистор нагревался только до 5,2 °C при той же мощности, при которой стандартное устройство TF-SAW (тонкоплёночный поверхностный акустический волновой преобразователь) достигало 17,4 °C. Новый чип выдержал плотность мощности 36,4 Вт/мм2 — в 12,73 раза больше порога контрольного устройства. При температуре −85 °C показатель вырос до 88,11 Вт/мм2, что в 13,85 раза превышает результат TF-SAW.

По словам авторов, технология может стать основой для более мощных радиочастотных фильтров, систем прямой спутниковой связи со смартфонами, сетей 6G, квантовых акустических устройств и компактных модулей преобразования энергии.