Najnovejši napredek v raziskavah disipacije diamantov

V ozadju neprekinjenega razvoja v visokozmogljivem računalništvu, komunikacijskih napravah z visoko močjo in 3D embalaži je toplotno upravljanje postalo temeljno tehnološko ozko grlo, ki omejuje nadaljnje pospeševanje čipov. Zlasti visoka gostota toplotnega toka, ki jo prinašajo polprevodniki tretje generacije, kot sta silicijev karbid (SIC) in galijev nitrid (GAN), v pogojih z visoko frekvenco in moči so tradicionalne raztopine za odvajanje toplote na osnovi silicija postopoma nevzdržno.

 

Ker je material z najvišjo toplotno prevodnostjo v teoriji in eksperimentih pokazal odlične zmogljivosti za odvajanje toplote, njegova potencialna vrednost na območjih, kot so toplotni disipacijski substrati, toplotni umivalniki in integracija na čipu, hitro pridobiva ponovno oceno industrije. Vendar so nerešena vprašanja nadzora stresa in prilagoditve procesov na materialni ravni vedno ovirala njen hitrost industrializacije.

Pred kratkim je kitajska akademija znanosti Jiangnan raziskovalnega inštituta Ningbo Institute of Materials uspešno pripravila veliko velikost 4- palčni ultra tanki, ultra nizki film o Warpage Diamond, ki je ključni preboj za tehnologijo, da se tehnologija premakne v praktične aplikacije za pakiranje.

 

Trenutna uporaba diamanta na področju toplotnega upravljanja se osredotoča predvsem na dve tehnološki poti: ena je uporaba diamanta kot substrata v kombinaciji s silicijem, gan ali SIC za izboljšanje celotne zmogljivosti odvajanja toplote naprave; Druga metoda je priprava diamantnih toplotnih umivalnikov ali filmov s CVD, pri čemer dosežete neposredno disipacijo toplote za kontaktno toploto za vire toplote. Vendar pa se ne glede na obliko sooča s strukturnim izzivom "prekomernega Warpagea po odstranitvi podlage". Zlasti v primerih, ko je debelina filma manjša od 100 μm in je velikost večja od 2 centimetrov, lahko dejavniki, kot sta notranje akumulacija stresa in neenakomerna rast vmesnika, povzročijo znatno deformacijo, kar ne more ustrezati standardom embalaže vročega tiska v procesu vezanja. To ozko grlo že dolgo omejuje obsežno promocijo diamantnih materialov v aplikacijah za disipacijo toplote, ki neposredno veže. Čeprav je njihova učinkovitost odvajanja toplote veliko boljša od tradicionalnih materialov, kot sta baker in aluminijev nitrid, jih je težko pridobiti industrijsko množično sprejemanje.

 

Raziskovalci so uspešno zmanjšali stres in Warpage of Diamond samoodloženi tanki filmi, ne da bi pri tem žrtvovali kakovost filma z optimizacijo postopka nanašanja hlapov, izboljšanjem postopka odstranjevanja substrata in toplote. 4- palčni diamantni film, ki ga je pripravila ekipa, ima debelino manj kot 100 μm, Warpage, nadzorovano znotraj 10 μm, in se lahko trdno drži na steklenih podlagah pod pogoji zunanje sile, ki ima sposobnost adsorpcije. Ta predstava ne ustreza le za zahteve za vezanje hladilnih hladilnikov čipov, ampak tudi omogoča vključitev diamantnih filmov v napredne procese embalaže, kot sta heterogena integracija in 3D zlaganje. Ta tehnološki preboj ima v industrijski verigi globok pomen. Industrijska veriga materialov za toplotno upravljanje diamantov lahko grobo razdelimo na štiri povezave: sinteza materiala, morfološka nadzor in kristalna orientacija, strukturno obdelavo in natančno rezanje ter integracijo s čipi ali embalažnimi strukturami. Med njimi je kitajska industrija v prvi fazi v bistvu oblikovala lokalne podporne zmogljivosti od visokih virov plina (kot sta metan in vodik) do reakcijske opreme (CVD sistemi), nekatera podjetja pa so dosegla komercialno rast diamantnih filmov velikega območja; Drugi korak je doseganje jedra kakovosti filma in nadzora stresa, kjer dosežki Inštituta za materiale Ningbo zapolnjujejo ključno tehnološko vrzel; Slednja dva natančna obdelava in integracija embalaže - še vedno poseduje nekaj čezmorskih podjetij s polnimi procesnimi zmogljivostmi, kar postanejo ključne kontrolne točke za domače materiale za vstop v industrijski konec.

 

Zlasti na področju embalaže čipov lahko neposredno vezanje diamantnih filmov na površino čipov napajalnih naprav (na primer ojačevalniki moči GAN) znatno zmanjša toplotno odpornost vmesnika in stabilizira temperaturo stika s čipi, s čimer se poveča življenjska doba in izboljša stabilnost frekvence. V preteklosti so proizvajalci embalaže zaradi visoke hrapavosti površine in bale z diamantom pogosto uporabili način pritrditve bakrene vmesne plasti, da so dosegli posredno odvajanje toplote, vendar je to močno žrtvovalo odlično toplotno prevodnost diamanta. Zato je doseganje samoodporne strukture z nizkim površinskim stresom in visoko ploščnostjo predpogoj za doseganje neposredne toplotne povezave med žetoni in diamanti. Če je ta postopek lahko standardiziran, bo postal izhodišče za rešitve toplotnega upravljanja za prehod iz eksperimentalnega preverjanja na embalažne sisteme nivoja rezin.

 

Z vidika nižje industrije so glavne aplikacije diamantnih materialov za toplotno upravljanje osredotočene na visokofrekvenčno komunikacijo (kot so 5G osnovne postaje, milimetrski valovni radar), elektroniko z visoko močjo (novi pretvorniki energetskih vozil, industrijsko električno modulo) in visokokakovostni računanje (podatkovni center AI Chips). Zlasti v AI strežniških GPU -jih s toplotno moči Chip Termal Design (TDP), ki presega 400W, tradicionalni učinkovitosti disipacije zračnega hlajenja dosega mejo, saj je več kot 40% porabe energije sistema, ki se uporablja za toplotno upravljanje, kar je pomembno nelinearno povečanje računalniške moči. Pričakuje se, da bodo diamantni materiali za odvajanje toplote zaradi visoke toplotne prevodnosti in električne izolacijske lastnosti neposredno zaprti v območje toplotnih virov čipov, ki nadomeščajo tradicionalne grafitne bakrene konstrukcije. V tej smeri so mednarodna podjetja, kot sta Coherent in Element Six, zaporedno izdala izdelke za diamantne hladilne hladilnike, ki ciljajo na proizvajalce čipov visokega cenovnega razreda, kot sta Nvidia in AMD, Kitajska pa je še vedno v fazi inženirskih vzorcev in ciljanih aplikacij na nekaterih vojaških področjih.

 

Z vidika trendov razvoja industrije se diamantni materiali za odvajanje toplote vstopajo v stopnjo preobrazbe iz "laboratorijske zmogljivosti" v "inženirsko tehnologijo". Dejavniki, ki omejujejo njegovo uporabo v lestvici, niso več osredotočeni na same toplotne prevodnosti, ampak so se preusmerili v vprašanja proizvodnega procesa, kot so ujemanje toplotne ekspanzije, stabilnost vezanja vmesnika in mehanska prilagodljivost obdelave. Zato lahko kdorkoli najprej prebije industrijsko zaprto zanko "embalaže za materialne naprave", lahko pridobi prvo prednost pred potjo na progi Diamond Thermal Management. Trenutno raziskovalne ustanove, vključno s China Electronics Technology Group Corporation (CETC) 38, Univerzo Nanchang in Peking Institute of Aeronautical Materials, promovirajo samopodprvo pot Diamond Film Proces. Hkrati je več podjetij za polprevodniško opremo začelo raziskovati tudi razvoj laserskega rezanja in ultrazvočne opreme za brušenje, primerno za predelavo diamantnih plošč.

 

Skratka, ta tehnološki preboj ne samo zapolni vrzel na področju ključnih materialov za toplotno upravljanje na Kitajskem, ampak tudi zagotavlja tehnično podporno točko za osnovno materialno plast kitajske visokozmogljive industrijske verige toplote čipov. Prehod diamantnih materialov iz teoretične vrednosti "ultra visoke toplotne prevodnosti" na praktični proces "množične proizvodnje, embalaže in vezanja" postaja v središču konkurence v novi generaciji tehnologije Chip termičnega upravljanja. V prihodnosti bo neprekinjena ponovitev okoli standardiziranih vmesnikov, zanesljivost procesov in združljivost embalaže določila ključno pot Diamond, da se resnično premakne iz "zvezdnega materiala" na "industrijski material".