Najnovší pokrok vo výskume rozptylu diamantového tepla

Na pozadí nepretržitého vývoja vo vysokovýkonných výpočtoch, vysokovýkonných komunikačných zariadeniach a 3D balenia sa tepelná správa stala základným technologickým prekážkou, ktoré obmedzuje ďalšie zrýchlenie čipov. Najmä vysoká hustota tepelného toku vyvolaná polovodičmi tretej generácie, ako je karbid kremíka (SIC) a nitrid gália (GAN) za vysokokvalitných a vysokorýchlostných podmienok, spôsobili, že tradičné roztoky na rozptyl tepelného rozptylu na báze kremíka postupne neudržateľné.

 

Ako materiál s najvyššou tepelnou vodivosťou, Diamond preukázal vynikajúce schopnosti rozptyľovania tepla v teórii a experimentoch a jeho potenciálna hodnota v oblastiach, ako sú substráty rozptyľovania tepla, chladiče a integrácia na čipoch, rýchlo získava prehodnotenie priemyslu. Vyriešené problémy kontroly stresu a prispôsobenia procesu na úrovni materiálu však vždy bránili jeho priemyselnému tempu.

Nedávno výskumný tím Jiangnanu Ningbo Institute of Materials, Čínska akadémia vied úspešne pripravil veľkú veľkosť 4- palcový ultra-tenký, ultra nízka bojovátorová diamantová filmová, ktorá poskytuje kľúčový prielom pre technológiu, aby sa posunul smerom k praktickým obalovým aplikáciám.

 

Súčasná aplikácia diamantu v oblasti tepelného manažmentu sa zameriava hlavne na dve technologické cesty: jednou z nich je použiť diamant ako substrát v kombinácii so kremíkovými, GAN alebo SIC materiálmi na zlepšenie celkového výkonu rozptylu tepla zariadenia; Druhou metódou je príprava diamantových chladičov alebo filmov prostredníctvom CVD, čím sa dosiahne priamy kontaktný rozptyl tepla pre zdroje tepla čipov. Avšak bez ohľadu na formu čelí štrukturálnej výzve „nadmernej deformácie po odstránení substrátu“. Najmä v prípadoch, keď je hrúbka filmu menšia ako 100 μm a veľkosť je väčšia ako 2 palce, faktory, ako je akumulácia vnútorného napätia a nerovnomerný rast rozhrania, môžu spôsobiť významnú deformáciu, ktoré nemôžu spĺňať štandardy obalu hotho tlače v procese spojenia. Toto prekážku už dlho obmedzuje rozsiahlu propagáciu diamantových materiálov v aplikáciách rozptylu tepla priameho spojenia ChIP. Aj keď je ich výkon rozptyľovania tepla oveľa lepší ako tradičné materiály, ako je medi a hliníkový nitrid, je ťažké získať prijatie priemyselnej hmotnosti.

 

Vedci úspešne znížili stres a deformáciu diamantov, ktoré podporujú tenké filmy bez obetovania kvality filmu optimalizáciou procesu ukladania pary, zlepšením odstraňovania substrátu a procesu tepelného spracovania. Diamondový film 4- palcový pripravený tímom má hrúbku menej ako 100 μm, deformácia kontrolovaná v 10 μm a môže pevne priľnúť k skleneným substrátom za podmienok vonkajšej sily, ktorá má vlastnú adsorpčnú schopnosť. Tento výkon spĺňa nielen požiadavky na deformáciu v rámci spájania chladiča čipov, ale tiež poskytuje možnosť začlenenia diamantových filmov do pokročilých procesov balenia, ako je heterogénna integrácia a stohovanie 3D. Tento technologický prielom má hlboký význam v priemyselnom reťazci. Priemyselný reťazec materiálov na riadenie diamantov môže byť zhruba rozdelený do štyroch spojení: syntéza materiálu, kontrola morfológie a orientácia kryštálov, štrukturálne spracovanie a presné rezanie a integrácia s čipmi alebo balenými štruktúrami. Medzi nimi v prvej fáze čínsky priemysel v podstate vytvoril miestne podporné zariadenia zo zdrojov plynu s vysokým čistotou (ako je metán a vodík) až po reakčné zariadenia (CVD systémy) a niektoré podniky dosiahli komerčný rast diamantových filmov vo veľkom oblastiach; Druhým krokom je dosiahnuť jadro kvality filmu a kontroly stresu, kde výsledky inštitútu materiálov Ningbo vyplnia kľúčovú technologickú medzeru; Posledne uvedené dva - presné obrábanie a integrácia obalov - stále majú niekoľko zahraničných podnikov s úplnými funkciami procesu, čím sa stanú kľúčovými kontrolnými bodmi pre domáce materiály na vstup do priemyselného konca.

 

Najmä v oblasti balenia čipov môže priamo spojenie diamantových filmov na povrch čipov napájacích zariadení (napríklad zosilňovače výkonu GAN) významne znížiť tepelný odpor rozhrania a stabilizovať teplotu spojenia s čipmi, čím sa predlžuje životnosť a zlepšuje stabilitu frekvencie. V minulosti, v dôsledku vysokej drsnosti povrchu a deformácie diamantu, výrobcovia obalov často používali metódu pripevnenia medziproduktu medi na dosiahnutie nepriameho rozptylu tepla, ale to výrazne obetovalo vynikajúcu tepelnú vodivosť diamantu. Preto je dosiahnutie priameho tepelného spojenia medzi čipmi a diamantmi predpokladom dosiahnutia priameho tepelného spojenia medzi čipmi a diamantmi. Ak je možné tento proces štandardizovať, stane sa východiskovým bodom pre riešenia tepelného riadenia na prechod z experimentálneho overovania na balené systémy na úrovni oblátok.

 

Z hľadiska následných priemyselných odvetví sa hlavné aplikácie materiálov na riadenie diamantov zameriavajú na vysokofrekvenčnú komunikáciu (ako sú 5G základné stanice, radar milimetra vlny), vysoko výkonná elektronika (nové energetické vozidlá, priemyselné energetické moduly) a špičkové výpočty (dátové centrum AI Chips). Najmä v GPU servera AI s výkonom tepelného dizajnu ChIP (TDP), ktorý presahuje 400 W, má tradičný efektívnosť rozptylu tepla vzduchu v vzduchu tendenciu dosahovať svoj limit, pričom viac ako 40% spotreby energie systému sa používa na tepelné riadenie, čím sa stáva dôležitým nelineárnym faktorom, ktorý obmedzuje ďalšie zvyšovanie výpočtovej sily. Očakáva sa, že materiály rozptyľovania diamantového tepla, a to kvôli ich vysokej tepelnej vodivosti a elektrickej izolácii, sa budú priamo zapuzdriť do oblasti tepelného zdroja čipov, čím sa nahradí tradičné štruktúry kompozitných grafitovej medi. V tomto smere medzinárodné spoločnosti, ako sú koherentné a prvky šiesti, postupne uvoľnili výrobky z diamantového chladiča, ktoré sa zameriavajú na špičkových výrobcov čipov, ako sú NVIDIA a AMD, zatiaľ čo Čína je stále vo fáze inžinierskych vzoriek a cielených aplikácií v niektorých vojenských poliach.

 

Z pohľadu trendov vývoja priemyslu vstupujú materiály na rozptyl diamantového tepla do štádia transformácie z „laboratórneho výkonu“ na „technické technológie“. Faktory, ktoré obmedzujú jeho aplikáciu v rozsahu, sa už viac nezameriavajú na samotnú tepelnú vodivosť, ale posunuli sa smerom k problémom s výrobnými procesmi, ako je porovnávanie tepelnej expanzie, stabilita spojenia s rozhraním a prispôsobivosť mechanického spracovania. Preto ktokoľvek môže najprv preraziť priemyselnú uzavretú slučku „Materiálových zariadení balenia“, môže získať výhodu prvého ťahu v dráhe Diamond Thermal Management. V súčasnosti výskumné inštitúcie vrátane spoločnosti China Electronics Technology Group Corporation (CETC) 38, Nanchang University a Peking Institute of Aeronautical Materials podporujú trasu procesnej procesnej procesnej procesu diamantov. Zároveň niekoľko spoločností v polovodičových zariadeniach začalo skúmať vývoj laserového rezania a ultrazvukového brúsneho zariadenia vhodného na spracovanie diamantových listov.

 

Stručne povedané, tento technologický prielom nielen vyplňuje medzeru v oblasti kľúčových materiálov na riadenie tepelného manažmentu v Číne, ale tiež poskytuje technický bod podpory pre základnú materiálovú vrstvu vysokovýkonného priemyselného reťazca rozptyľovania tepla v Číne. Prechod diamantových materiálov z teoretickej hodnoty „ultra vysokej tepelnej vodivosti“ na praktický proces „hromadnej výroby, balenia a lepenia“ sa stáva konkurenciou v novej generácii technológie tepelného manažmentu Thermal ChIP. V budúcnosti bude kontinuálna iterácia okolo štandardizovaných rozhraní, spoľahlivosti procesu a kompatibility obalov určiť kľúčovú cestu pre diamant, aby sa skutočne presunul z „hviezdneho materiálu“ k „priemyselnému materiálu“.