Neredeyse on yıldır, AR (Artırılmış Gerçeklik) gözlüklerinin evrimi, optik, ekranlar ve yapay zeka algoritmaları hikayesi olarak çerçevelendi. Ancak prototipler kitle pazarı form faktörlerine yaklaştıkça, daha az görünür bir kısıtlama gerçek darboğaz olarak ortaya çıktı: termal yönetim.

Sezgilerin aksine, AR gözlükleri çok fazla ısı ürettikleri için arızalanmazlar. Isının gidecek yeri olmadığı için arızalanırlar.

Bu bağlamda, silisyum karbür (SiC) gofretleri—uzun süredir yüksek güçlü elektronik ve elektrikli araçlarla ilişkilendirilen— tamamen yeni bir rolde görünmeye başlıyor: ultra kompakt giyilebilir cihazların içinde yapısal, sistem seviyesinde termal çözümler olarak. Bu sadece bir malzeme ikamesi değil, aynı zamanda cihaz ölçeğinde ısının nasıl yönetildiğine dair kavramsal bir değişim.

1. AR Gözlüklerinin Termal Paradoksu

AR gözlükleri, tüketici elektroniğinde termal olarak en zorlu tasarım alanlarından birini işgal eder:

• Aşırı hacim kısıtlamaları (milimetre ölçeğinde kalınlık)

• Sürekli cilt teması, izin verilen yüzey sıcaklıklarını sınırlar

• Yapay zeka SoCs, mikro ekran sürücüleri ve optik motorlar gibi son derece lokalize ısı kaynakları

• Aktif soğutma yok (fanlar, ısı boruları veya büyük buhar odaları pratik değil)

Toplam güç dağılımı akıllı telefonlardan daha düşük olsa da, güç yoğunluğu önemli ölçüde daha yüksektir. Daha da önemlisi, termal yol parçalanmıştır: Isı, güvenli bir şekilde dağıtılabileceği yere ulaşmadan önce ince, üst üste yığılmış yapılar boyunca yanlamasına hareket etmelidir.

Bu, termal yönetimi bir dağıtım probleminden ziyade bir difüzyon problemine dönüştürür.

2. Geleneksel Termal Malzemeler Neden Sınırlarına Ulaşıyor?

Mevcut çoğu AR cihazı aşağıdakilerin kombinasyonlarına dayanır:

• Grafit levhalar

• Bakır folyolar

• Alüminyum veya magnezyum yapısal çerçeveler

• Termal olarak iletken polimerler

Bu malzemeler telefonlarda ve tabletlerde makul derecede iyi çalışır, ancak AR gözlüklerinde temel sınırlamalarla karşılaşırlar:

1. Anizotropik ısı iletimi
   Grafit ısıyı yanlamasına yayar ancak kalınlık boyunca zayıf performans gösterir.

2. Kalınlık hassasiyeti
   Milimetrenin altında katmanlara indirildiğinde, etkili termal iletkenlik çöker.

3. Yapısal uyumsuzluk
   Metaller ağırlık ekler ve optik hizalamayı ve RF performansını engeller.

4. Termal “eklenti” zihniyeti
   Bu malzemeler, sistem tasarımından sonra, ona gömülmek yerine takılır.Başka bir deyişle, geleneksel malzemeler, termal noktaların oluşmasını engellemek yerine, biriktikten sonra ısıyı uzaklaştırmaya çalışır.3. SiC Gofretleri: Sezgisel Olmayan Bir Aday

İlk bakışta, SiC giyilebilir cihazlar için uygun görünmüyor. Şöyledir:

Sert

Kırılgan

• Pahalı

• Geleneksel olarak kilovat seviyesinde güç cihazlarıyla ilişkilendirilir

• Ancak fiziksel açıdan bakıldığında, SiC, AR termal zorluklarıyla benzersiz bir şekilde uyumlu nadir bir özellik kombinasyonuna sahiptir:

• Termal iletkenlik: ~400–490 W/m·K

İzotropik ısı taşınımı

• Yüksek mekanik sertlik

• Mükemmel termal kararlılık

• Elektriksel yalıtım (yarı yalıtkan sınıflarda)

• Önemli olarak, SiC, metallerin ve grafitin sıklıkla başarısız olduğu çok küçük kalınlıklarda bile yüksek termal performansı korur.

• 4. “Isı Emici”den “Termal Düzlem”e

Temel yenilik, SiC'yi geleneksel bir ısı emici olarak kullanmak değil, bir termal düzlem olarak kullanmaktır.

Isıyı dikey olarak çekmek yerine, ince bir SiC gofret şuraya yerleştirilebilir:

Bir AR SoC'nin altına

Bir optik modül yığınının içine

• Bir lens taşıyıcısının veya yapısal çerçevenin bir parçası olarak

• Bu rolde, SiC gofret, sıcaklıklar yükselmeden önce lokalize ısıyı daha geniş bir alana hızla yayan iki boyutlu bir ısı eşitleyici görevi görür.

• Bu, termal tasarımı “ısıyı nasıl boşaltırız”dan, sıcak noktaların hiç oluşmasını nasıl engelleriz'e dönüştürür.

5. Yapısal–Termal Entegrasyon: Yeni Bir Tasarım Felsefesi

SiC'nin en yıkıcı özelliklerinden biri, aynı anda birden fazla işlevi yerine getirebilmesidir:

Mekanik destek

Termal yayılma

• Elektriksel yalıtım

• Optik hizalama için boyutsal kararlılık

• Her bir milimetreküpün önemli olduğu AR gözlüklerinde, bu çok işlevlilik dönüştürücüdür.

• Birden fazla ayrı bileşeni—metal çerçeveler, ısı yayıcılar, yalıtım katmanları—tek bir SiC gofret veya plaka ile değiştirerek, tasarımcılar şunları azaltır:

Parça sayısı

Arayüz termal direnci

• Montaj karmaşıklığı

• Ağırlık

• Bu, artan optimizasyon değil; sistem seviyesinde basitleştirmedir.

• 6. Optik ve Elektronik Uyumluluk

Metallere kıyasla, SiC minimum elektromanyetik girişim yaratır ve şunlarla uyumludur:

RF antenleri

Optik dalga kılavuzları

• Mikro-LED ve mikro-OLED modülleri

• Yarı yalıtkan SiC sınıfları, parazitik etkiler olmadan hassas analog ve dijital devrelerin yakınında entegrasyona daha fazla izin verir.

• Bazı deneysel mimarilerde, SiC alt tabakaları, hem termal yönetimi hem de ara bağlantı yönlendirmeyi destekleyen ortak paketleme platformları olarak bile araştırılmaktadır.

7. Güvenilirlik ve Uzun Vadeli Kararlılık

Termal döngü, AR cihazlarında sessiz bir katildir. Tekrarlanan ısıtma ve soğutma döngüleri şunlara neden olabilir:

Optik hizalama hatası

Delaminasyon

• Polimerlerde mikro çatlama

• SiC'nin düşük termal genleşme katsayısı ve yüksek sertliği, özellikle yapay zeka ağırlıklı iş yükleri altında, uzun kullanım süreleri boyunca yapısal bütünlüğün korunmasına yardımcı olur.

• Bu, SiC'yi yalnızca bir performans sağlayıcı olarak değil, aynı zamanda bir güvenilirlik malzemesi olarak konumlandırır.

8. Maliyet: Son Engel—ve Neden Düşüyor?

Tarihsel olarak, SiC gofretleri tüketici elektroniği için çok pahalıydı. Ancak, çeşitli eğilimler bu denklemi değiştiriyor:

6 inç ve 8 inç SiC gofret üretiminin genişlemesi

Otomotiv talebinin yönlendirdiği verim iyileştirmeleri

• Güç elektroniğinden uyarlanan inceltme ve dilimleme teknolojileri

• AR gözlüklerinde, gerekli SiC alanı küçüktür—genellikle tam bir gofretin bir kısmı—sistem seviyesinde bakıldığında maliyeti kabul edilebilir hale getirir.

• SiC birden fazla bileşenin yerini aldığında, toplam BOM maliyeti rekabetçi hale gelebilir, daha yüksek değil.

9. Bunun AR Donanımının Geleceği İçin İşareti

AR termal yönetiminde SiC gofretlerin benimsenmesi daha geniş bir değişime işaret ediyor:

AR gözlükleri artık minyatürleştirilmiş telefonlar gibi tasarlanmıyor.

Malzemelerin mimariyi tanımladığı entegre fiziksel sistemler gibi tasarlanıyorlar.

Yapay zeka iş yükleri arttıkça ve form faktörleri daha da küçüldükçe, termal, mekanik ve elektriksel rolleri birleştiren malzemeler, yeni nesil giyilebilir bilişimi tanımlayacaktır.
SiC, bu sınırı aşan ilk malzemeler arasında yer alıyor.

Sonuç: Malzemeler Mimari Haline Geldiğinde

En önemli içgörü, SiC'nin ısıyı iyi iletmesi değildir.

SiC'nin termal yönetimin yukarı akışa—aksesuarlardan mimariye—geçmesine izin vermesidir.

Her gramın, her milimetrenin ve her derecenin önemli olduğu AR gözlüklerinde, bu değişim belirleyici olabilir.