Še en preboj pri uporabi diamanta na področju polprevodnikov

Z napredkom tehnologije umetne inteligence se velikosti funkcij integriranega vezja nenehno miniaturizirajo, gostota integracije pa se še naprej povečuje, kar vodi do znatnega povečanja toplotnega toka-na ravni naprave. Trenutno je gostota toplotnega toka elektronskih čipov dosegla približno 1000 W/cm², z lokalnimi vročimi točkami, ki presegajo tisoče W/cm². Če te toplote ni mogoče učinkovito odvajati, se bodo temperature naprave dvignile, zmogljivost se bo zmanjšala, stabilnost in zanesljivost bosta ogroženi, v skrajnih primerih pa bo prišlo do okvare ali toplotnega izgorevanja.

 

Mikrokanalni hladilni odvodi so postali priljubljena tehnologija zaradi visoke toplotne učinkovitosti, kompaktne strukture in enostavne sistemske integracije. Vendar se soočajo z izzivi, kot je povečan padec tlaka zaradi njihove geometrijske konfiguracije in težave pri ohranjanju površinskih lastnosti pri visokih temperaturah. Diamant s svojo izjemno visoko toplotno prevodnostjo (1000-2200 W/(m・K)), visokim tališčem in električnimi izolacijskimi lastnostmi, substrati AlN s svojimi prednostmi v toplotni prevodnosti in koeficientu toplotnega raztezanja ter tanki sloji Pt s svojimi zmožnostmi dvojnega segrevanja in merjenja temperature so ključni materiali za optimizacijo mikrokanalnih hladilnih sistemov. Cilj je razviti heterogeno materialno integrirano rešitev za hlajenje, ki temelji na CVD-DMC, za reševanje izzivov toplotnega upravljanja z visokim toplotnim tokom.

 

Hu Dinghua z Univerze za znanost in tehnologijo v Nanjingu je v sodelovanju z ekipo Quanfeng Zhouja v raziskovalnem centru Microsystem and Terahertz na Kitajski akademiji inženirske fizike nedavno predlagal rešitev za integrirano hlajenje (DMC) na osnovi diamantnega mikrokanala s kemičnim naparjevanjem (CVD). S kombinacijo simulacije in eksperimentalnih metod so sistematično raziskali njegovo zmogljivost prenosa toplote v pogojih ultra-visokega toplotnega toka. Raziskava z naslovom »Eksperimentalna in numerična študija CVD diamantnega mikrokanalnega hlajenja za heterogene materiale z visokim toplotnim tokom-integriranih matric« je bila objavljena v International Journal of Heat and Mass Transfer.

 

Študija je integrirala diamantne mikrokanale CVD s substratom iz aluminijevega nitrida (AlN), na katerem so bile z uporabo femtosekundne laserske mikroobdelave izdelane rebraste strukture različnih geometrij. Študija je bila osredotočena na primerjavo značilnosti prenosa toplote in pretoka pravokotnih, okroglih in -oblikovanih reber v obliki diamanta, da bi določili optimalne konstrukcijske parametre. Študija je najprej primerjala učinkovitost odvajanja toplote diamantnih in silicijevih mikrokanalov z isto strukturo. Pri toplotnem toku 1100 W/cm² je bila najvišja temperatura diamantnega mikrokanala približno 30 stopinj nižja od temperature silicijevega kanala, kar kaže na vrhunsko toplotno prevodnost in difuzijsko sposobnost. Primerjava treh rebrastih struktur dokazuje, da rebrasta-struktura v obliki diamanta ponuja vrhunsko učinkovitost upravljanja toplote. Pri hitrosti pretoka 144 ml/min je vzorec rebra-v obliki romba dosegel najvišjo temperaturo približno 66 stopinj, kar je nižje od temperature okroglih in ravnih reber. Diamantna -struktura učinkovito moti mejno plast, spodbuja mešanje tekočin in izboljša lokalni koeficient prenosa toplote; vendar ima za posledico tudi nekoliko večji padec tlaka. Indeks ocene učinkovitosti (PEC) kaže, da struktura v obliki-diamanta dosega optimalno ravnovesje med prenosom toplote in porabo energije.

 

Rezultati raziskav zagotavljajo nove strategije hlajenja za visoko{0}}toplotni-tok elektronske embalaže, napajalne naprave in čipe AI. Visoka toplotna prevodnost in električne izolacijske lastnosti diamantnih mikrokanalov so obetavni za prihodnje aplikacije v podatkovnih centrih, radiofrekvenčnih modulih in 3D embalaži.