Μια άλλη σημαντική ανακάλυψη στην εφαρμογή του διαμαντιού στο πεδίο των ημιαγωγών

Με την πρόοδο της τεχνολογίας τεχνητής νοημοσύνης, τα μεγέθη των χαρακτηριστικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μειώνονται συνεχώς και η πυκνότητα ενσωμάτωσης συνεχίζει να αυξάνεται, οδηγώντας σε σημαντική αύξηση στο επίπεδο ροής θερμότητας της συσκευής-. Επί του παρόντος, η πυκνότητα ροής θερμότητας των ηλεκτρονικών τσιπ έχει φτάσει περίπου τα 1000 W/cm², με τα τοπικά hot spots να ξεπερνούν τις χιλιάδες W/cm². Εάν αυτή η θερμότητα δεν μπορεί να διαλυθεί αποτελεσματικά, οι θερμοκρασίες της συσκευής θα αυξηθούν, η απόδοση θα μειωθεί, η σταθερότητα και η αξιοπιστία θα τεθούν σε κίνδυνο και σε ακραίες περιπτώσεις θα προκύψει αστοχία ή θερμική εξάντληση.

 

Οι ψύκτρες μικροκαναλιών έχουν γίνει δημοφιλής τεχνολογία λόγω της υψηλής θερμικής απόδοσης, της συμπαγούς δομής και της ευκολίας ενσωμάτωσης του συστήματος. Ωστόσο, αντιμετωπίζουν προκλήσεις όπως αυξημένη πτώση πίεσης λόγω της γεωμετρικής τους διαμόρφωσης και δυσκολία διατήρησης των ιδιοτήτων της επιφάνειας σε υψηλές θερμοκρασίες. Το Diamond, με την εξαιρετικά υψηλή θερμική του αγωγιμότητα (1000-2200 W/(m・K)), το υψηλό σημείο τήξης και τις ιδιότητες ηλεκτρικής μόνωσης, τα υποστρώματα AlN με τα πλεονεκτήματά τους στη θερμική αγωγιμότητα και τον συντελεστή θερμικής διαστολής και τα λεπτά φιλμ Pt με τα διπλά υλικά θέρμανσης και μέτρησης θερμοκρασίας είναι βασικά υλικά για τη βελτιστοποίηση των δυνατοτήτων ψύξης των μικροκαναλιών. Ο στόχος είναι να αναπτυχθεί μια ολοκληρωμένη λύση ψύξης ετερογενούς υλικού βασισμένη σε CVD-DMC για την αντιμετώπιση των προκλήσεων της θερμικής διαχείρισης υψηλής ροής θερμότητας.

 

Ο Hu Dinghua από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Ναντζίνγκ, σε συνεργασία με την ομάδα του Quanfeng Zhou στο Ερευνητικό Κέντρο Microsystem and Terahertz της Ακαδημίας Μηχανικής Φυσικής της Κίνας, πρότεινε πρόσφατα μια ενσωματωμένη λύση ψύξης ετερογενούς υλικού (DMC) με μικροκανάλι απόθεσης χημικών ατμών (CVD). Χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό προσομοίωσης και πειραματικών μεθόδων, διερεύνησαν συστηματικά την απόδοσή του στη μεταφορά θερμότητας υπό συνθήκες εξαιρετικά-υψηλής ροής θερμότητας. Η έρευνα, με τίτλο "Πειραματική και αριθμητική μελέτη της ψύξης μικροκαναλιού διαμαντιού CVD για ετερογενή υλικά υψηλής ροής θερμότητας-ολοκληρωμένες μήτρες", δημοσιεύτηκε στο International Journal of Heat and Mass Transfer.

 

Η μελέτη ενσωμάτωσε μικροκανάλια διαμαντιού CVD με ένα υπόστρωμα νιτριδίου αλουμινίου (AlN), πάνω στο οποίο κατασκευάστηκαν δομές νευρώσεων διαφόρων γεωμετριών χρησιμοποιώντας μικρομηχανική λέιζερ femtosecond. Η μελέτη επικεντρώθηκε στη σύγκριση των χαρακτηριστικών μεταφοράς θερμότητας και ροής ορθογώνιων, κυκλικών και{1}} νευρώσεων σε σχήμα ρόμβου για τον προσδιορισμό των βέλτιστων παραμέτρων σχεδίασης. Η μελέτη συνέκρινε αρχικά την απόδοση απαγωγής θερμότητας μικροκαναλιών διαμαντιού και πυριτίου με την ίδια δομή. Σε ροή θερμότητας 1100 W/cm², η μέγιστη θερμοκρασία του μικροκαναλιού διαμαντιού ήταν περίπου 30 μοίρες χαμηλότερη από αυτή του καναλιού πυριτίου, επιδεικνύοντας ανώτερες δυνατότητες αγωγιμότητας και διάχυσης της θερμότητας. Η σύγκριση τριών δομών νευρώσεων δείχνει ότι η δομή ραβδώσεων σε σχήμα διαμαντιού- προσφέρει ανώτερη απόδοση θερμικής διαχείρισης. Με ρυθμό ροής 144 mL/min, το δείγμα ραβδώσεων σε σχήμα διαμαντιού{10}}πέτυχε μέγιστη θερμοκρασία περίπου 66 βαθμών , χαμηλότερη από αυτή των κυκλικών και ευθύγραμμων νευρώσεων. Η δομή σε σχήμα διαμαντιού{13}}διαταράσσει αποτελεσματικά το οριακό στρώμα, προωθεί την ανάμειξη ρευστών και βελτιώνει τον τοπικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. Ωστόσο, έχει επίσης ως αποτέλεσμα μια ελαφρώς μεγαλύτερη πτώση πίεσης. Ο δείκτης αξιολόγησης απόδοσης (PEC) δείχνει ότι η δομή σε σχήμα διαμαντιού-επιτυγχάνει τη βέλτιστη ισορροπία μεταξύ μεταφοράς θερμότητας και κατανάλωσης ενέργειας.

 

Τα αποτελέσματα της έρευνας παρέχουν νέες στρατηγικές ψύξης για ηλεκτρονικές συσκευασίες υψηλής-θερμότητας-ροής, ηλεκτρικές συσκευές και τσιπ τεχνητής νοημοσύνης. Η υψηλή θερμική αγωγιμότητα και οι ιδιότητες ηλεκτρικής μόνωσης των μικροκαναλιών διαμαντιών τα καθιστούν πολλά υποσχόμενα για μελλοντικές εφαρμογές σε κέντρα δεδομένων, μονάδες ραδιοσυχνοτήτων και 3D συσκευασίες.