A fotônica oferece várias vantagens, incluindo a habilitação de comunicação de alta velocidade e baixa perda, aproveitando as propriedades da luz na comunicação óptica de dados, aplicações biomédicas, tecnologia automotiva e domínios de inteligência artificial. Essas vantagens são obtidas através de circuitos fotônicos complexos, compreendendo diversos elementos fotônicos integrados em um chip fotônico.



Chips eletrônicos são então adicionados para complementar os chips fotônicos para determinadas funções, como operação da fonte de luz, modulação e amplificação. A estreita integração de chips eletrônicos e fotônicos em um substrato é um aspecto crítico da embalagem fotônica.

A embalagem fotônica desempenha um papel vital no apoio à operação eficaz de chips eletrônicos e fotônicos nos domínios elétrico, óptico, mecânico e térmico. O gerenciamento térmico eficiente torna-se crucial em pacotes compactos onde a diafonia térmica entre chips eletrônicos e fotônicos, juntamente com flutuações de temperatura ambiente, podem impactar negativamente o desempenho dos chips fotônicos.

Substratos de vidro, amplamente discutidos como uma plataforma de co-embalagem para chips eletrônicos e fotônicos, são críticos aqui porque oferecem vantagens como formato compacto, baixa perda elétrica e uma plataforma fabricável em nível de painel. Além disso, os substratos de vidro têm baixa condutividade térmica, facilitando a propagação lateral mínima do calor entre chips eletrônicos e fotônicos.

A incorporação de vias de vidro (TGVs) em substrato de vidro permite a dissipação eficaz do calor dos chips eletrônicos. Outra estratégia de gerenciamento térmico envolve a integração de resfriadores microtermelétricos (micro-TECs) na parte inferior de um chip, proporcionando controle ativo de temperatura.

Em nova pesquisa publicada no Journal of Optical Microsystems , é introduzida uma combinação de TGVs e tecnologias micro-TEC denominadas "resfriadores microtermelétricos integrados em substrato (SimTEC)".

O SimTEC envolve TGVs parcialmente preenchidos com cobre e materiais termoelétricos, garantindo a estabilização térmica dos chips fotônicos e eletrônicos da embalagem. Esta nova técnica complementa as abordagens de resfriamento em nível de sistema. A pesquisadora Parnika Gupta e colegas da University College Cork, na Irlanda, examinaram o impacto dos substratos de vidro no desempenho térmico de vias segmentadas e compararam-no com o dos pilares micro-TEC independentes. Eles analisaram o efeito do diâmetro, da altura, do passo e do fator de preenchimento no desempenho de resfriamento do SimTEC.

Notavelmente, a tecnologia fornece controle térmico preciso na embalagem e reduz a resistência térmica entre a superfície TEC e a interface do chip quando os chips são colados no substrato de vidro. Simulações com planejamento de experimentos (DOE) indicam resfriamento máximo de 9,3 K ou faixa de estabilização de temperatura de 18,6 K.

O estudo também destacou uma variação seis vezes maior no desempenho de resfriamento com a variação na geometria da via em comparação com a variação do desempenho de resfriamento do unicoupl micro-TEC independente. A otimização das propriedades dos materiais termoelétricos tem o potencial de melhorar o desempenho de futuras arquiteturas integradas ao SimTEC.

Mais informações: Parnika Gupta et al, Resfriadores microtermelétricos integrados com substrato em substrato de vidro para pacotes fotônicos de próxima geração, Journal of Optical Microsystems (2024). DOI:10.1117/1.JOM.4.1.011006
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