Τελευταία πρόοδος στην έρευνα απαγωγής θερμότητας διαμαντιών

Στο πλαίσιο της συνεχούς εξέλιξης στους υπολογιστές υψηλής απόδοσης, στις συσκευές επικοινωνίας υψηλής ισχύος και στις συσκευασίες 3D, η θερμική διαχείριση έχει γίνει ένα βασικό τεχνολογικό εμπόδιο που περιορίζει την περαιτέρω επιτάχυνση των τσιπ . Ειδικά η υψηλή πυκνότητα θερμικής ροής που φέρνουν οι ημιαγωγοί τρίτης γενιάς όπως το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) και το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) υπό συνθήκες υψηλής συχνότητας και υψηλής ισχύος έχει καταστήσει σταδιακά τις παραδοσιακές λύσεις απαγωγής θερμότητας με βάση το πυρίτιο μη βιώσιμο.

 

Ως το υλικό με την υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα, το διαμάντι έχει επιδείξει εξαιρετικές δυνατότητες απαγωγής θερμότητας στη θεωρία και τα πειράματα και η δυνητική του αξία σε τομείς όπως τα υποστρώματα απαγωγής θερμότητας, οι ψύκτρες και η ενσωμάτωση on-chip κερδίζει γρήγορα την επαναξιολόγηση της βιομηχανίας. Ωστόσο, τα ανεπίλυτα ζητήματα του ελέγχου του στρες και της προσαρμογής της διαδικασίας σε επίπεδο υλικού παρεμπόδιζαν πάντα τον ρυθμό εκβιομηχάνισής του.

Πρόσφατα, η ερευνητική ομάδα Jiangnan του Ινστιτούτου Υλικών Ningbo της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών προετοίμασε με επιτυχία ένα εξαιρετικά λεπτό, εξαιρετικά χαμηλό αυτοφερόμενο φιλμ διαμαντιών μεγάλου μεγέθους 4-ιντσών, το οποίο παρέχει μια βασική ανακάλυψη για την τεχνολογία να κινηθεί προς πρακτικές εφαρμογές συσκευασίας.

 

Η τρέχουσα εφαρμογή του διαμαντιού στον τομέα της θερμικής διαχείρισης επικεντρώνεται κυρίως σε δύο τεχνολογικές οδούς: η μία είναι η χρήση του διαμαντιού ως υποστρώματος, σε συνδυασμό με πυρίτιο, υλικά GaN ή SiC για τη βελτίωση της συνολικής απόδοσης απαγωγής θερμότητας της συσκευής. Η δεύτερη μέθοδος είναι η προετοιμασία διαμαντένιων ψύκτρων ή μεμβρανών μέσω CVD, επιτυγχάνοντας απαγωγή θερμότητας άμεσης επαφής για πηγές θερμότητας τσιπ. Ωστόσο, ανεξάρτητα από τη μορφή, αντιμετωπίζει τη δομική πρόκληση της «υπερβολικής στρέβλωσης μετά την αφαίρεση του υποστρώματος». Ειδικά σε περιπτώσεις όπου το πάχος του φιλμ είναι μικρότερο από 100 μ m και το μέγεθος είναι μεγαλύτερο από 2 ίντσες, Παράγοντες όπως η συσσώρευση εσωτερικής τάσης και η άνιση ανάπτυξη διεπαφής μπορούν να προκαλέσουν σημαντική παραμόρφωση, η οποία δεν μπορεί να ανταποκριθεί στα πρότυπα συσκευασίας θερμής πρέσας της διαδικασίας συγκόλλησης. Αυτό το σημείο συμφόρησης έχει περιορίσει εδώ και καιρό τη μεγάλης κλίμακας προώθηση αδαμαντοφόρων υλικών σε εφαρμογές απαγωγής θερμότητας άμεσης συγκόλλησης τσιπ. Αν και η απόδοση απαγωγής θερμότητας είναι πολύ ανώτερη από τα παραδοσιακά υλικά όπως το νιτρίδιο χαλκού και αλουμινίου, Είναι δύσκολο να επιτευχθεί μαζική υιοθέτηση από τη βιομηχανία.

 

Οι ερευνητές μείωσαν με επιτυχία την καταπόνηση και τη στρέβλωση των αυτοφερόμενων λεπτών υμενίων διαμαντιών χωρίς να θυσιάσουν την ποιότητα του φιλμ βελτιστοποιώντας τη διαδικασία εναπόθεσης ατμών, βελτιώνοντας τη διαδικασία απομάκρυνσης υποστρώματος και θερμικής επεξεργασίας. Το φιλμ διαμαντιού 4-inch που προετοιμάστηκε από την ομάδα έχει πάχος μικρότερο από 100 μ m, μια προειδοποίηση ελεγχόμενη εντός 10 μ m, και μπορεί να προσκολληθεί σταθερά σε γυάλινα υποστρώματα χωρίς εξωτερικές συνθήκες δύναμης, διαθέτοντας ικανότητα αυτοπροσρόφησης. Αυτή η απόδοση όχι μόνο πληροί τις απαιτήσεις στρέβλωσης της συγκόλλησης ψύκτρας τσιπ, αλλά παρέχει επίσης τη δυνατότητα ενσωμάτωσης αδαμαντοφόρων μεμβρανών σε προηγμένες διαδικασίες συσκευασίας, όπως η ετερογενής ενσωμάτωση και η στοίβαξη 3D. Αυτό το τεχνολογικό επίτευγμα έχει βαθιά σημασία στη βιομηχανική αλυσίδα. Η βιομηχανική αλυσίδα της θερμικής διαχείρισης διαμαντιών Τα υλικά μπορούν να χωριστούν χονδρικά σε τέσσερις συνδέσμους: σύνθεση υλικών, έλεγχος μορφολογίας και προσανατολισμός κρυστάλλων, δομική επεξεργασία και κοπή ακριβείας και ενσωμάτωση με τσιπ ή δομές συσκευασίας. Μεταξύ αυτών, στο πρώτο στάδιο, η βιομηχανία της Κίνας έχει βασικά διαμορφώσει τοπικές υποστηρικτικές εγκαταστάσεις από πηγές αερίου υψηλής καθαρότητας (όπως μεθάνιο και υδρογόνο) έως εξοπλισμό αντίδρασης (συστήματα CVD), και ορισμένες επιχειρήσεις έχουν επιτύχει εμπορική ανάπτυξη αδαμαντοφόρων μεμβρανών μεγάλης έκτασης. Το δεύτερο βήμα είναι να επιτευχθεί ο πυρήνας της ποιότητας του φιλμ και του ελέγχου του στρες, όπου τα επιτεύγματα του Ινστιτούτου Υλικών Ningbo καλύπτουν το βασικό τεχνολογικό κενό. Τα δύο τελευταία - κατεργασία ακριβείας και ενσωμάτωση συσκευασίας - εξακολουθούν να κατέχονται από μερικές υπερπόντιες επιχειρήσεις με πλήρεις δυνατότητες επεξεργασίας, καθιστώντας βασικά σημεία ελέγχου για τα εγχώρια υλικά να εισέλθουν στο βιομηχανικό τέλος .

 

Ειδικά στον τομέα της συσκευασίας τσιπ, η άμεση συγκόλληση αδαμαντοφόρων μεμβρανών στην επιφάνεια των τσιπ συσκευών ισχύος (όπως οι ενισχυτές ισχύος GaN) μπορεί να μειώσει σημαντικά τη θερμική αντίσταση της διεπαφής και να σταθεροποιήσει τη θερμοκρασία σύνδεσης τσιπ, επεκτείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής και βελτιώνοντας τη σταθερότητα συχνότητας. Στο παρελθόν, λόγω της υψηλής τραχύτητας επιφάνειας και της στρέβλωσης του διαμαντιού, οι κατασκευαστές συσκευασιών χρησιμοποιούσαν συχνά τη μέθοδο προσάρτησης ενός ενδιάμεσου στρώματος χαλκού για την επίτευξη έμμεσης απαγωγής θερμότητας, Αλλά αυτό θυσίασε σε μεγάλο βαθμό την εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα του Diamond. Επομένως, η επίτευξη μιας αυτοφερόμενης δομής με χαμηλή επιφανειακή καταπόνηση και υψηλή επιπεδότητα αποτελεί προϋπόθεση για την επίτευξη άμεσης θερμικής σύζευξης μεταξύ ρινισμάτων και διαμαντιών. Εάν αυτή η διαδικασία μπορεί να τυποποιηθεί, θα αποτελέσει το σημείο εκκίνησης για λύσεις θερμικής διαχείρισης για τη μετάβαση από πειραματική επαλήθευση σε συστήματα συσκευασίας επιπέδου γκοφρέτας.

 

Από τη σκοπιά των κατάντη βιομηχανιών, οι κύριες εφαρμογές των υλικών θερμικής διαχείρισης διαμαντιών επικεντρώνονται στην επικοινωνία υψηλής συχνότητας (όπως σταθμοί βάσης 5G, ραντάρ χιλιοστομετρικών κυμάτων), ηλεκτρονικά υψηλής ισχύος (μετατροπείς νέων ενεργειακών οχημάτων, βιομηχανικές μονάδες ισχύος) και υπολογιστές υψηλών προδιαγραφών (τσιπ AI κέντρου δεδομένων). Ειδικά σε GPU διακομιστή AI με ισχύ θερμικού σχεδιασμού τσιπ (TDP) που υπερβαίνει τα 400W, Η απόδοση απαγωγής θερμότητας του παραδοσιακού συστήματος ψύξης αέρα τείνει να φτάσει στα όριά της, με πάνω από το 40% της κατανάλωσης ενέργειας του συστήματος να χρησιμοποιείται για θερμική διαχείριση, καθιστώντας έναν σημαντικό μη γραμμικό παράγοντα που περιορίζει περαιτέρω αυξήσεις στην υπολογιστική ισχύ. Τα αδαμαντοφόρα υλικά απαγωγής θερμότητας, λόγω της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και των ιδιοτήτων ηλεκτρικής μόνωσης, αναμένεται να ενθυλακωθούν απευθείας στην περιοχή πηγής θερμότητας των τσιπ, αντικατάσταση παραδοσιακών σύνθετων δομών χαλκού γραφίτη. Προς αυτή την κατεύθυνση, διεθνείς εταιρείες όπως η Coherent και η Element Six κυκλοφόρησαν διαδοχικά προϊόντα ψύκτρας διαμαντιών, στοχεύοντας σε κατασκευαστές τσιπ υψηλής τεχνολογίας όπως η NVIDIA και η AMD, ενώ η Κίνα βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δειγμάτων μηχανικής και των στοχευμένων εφαρμογών σε ορισμένους στρατιωτικούς τομείς.

 

Από τη σκοπιά των τάσεων ανάπτυξης της βιομηχανίας, τα υλικά απαγωγής θερμότητας διαμαντιών εισέρχονται σε ένα στάδιο μετασχηματισμού από "εργαστηριακή απόδοση" σε "τεχνολογία μηχανικής". Οι παράγοντες που περιορίζουν την εφαρμογή της κλίμακας δεν επικεντρώνονται πλέον στην ίδια τη θερμική αγωγιμότητα, αλλά έχουν μετατοπιστεί προς ζητήματα διαδικασίας κατασκευής, όπως η αντιστοίχιση θερμικής διαστολής, η σταθερότητα συγκόλλησης διεπαφής και η προσαρμοστικότητα μηχανικής επεξεργασίας. Επομένως, Όποιος μπορεί πρώτα να σπάσει τον βιομηχανικό κλειστό βρόχο των "υλικών συσκευών συσκευασίας" μπορεί να αποκτήσει ένα πλεονέκτημα πρώτης κίνησης στο κομμάτι θερμικής διαχείρισης διαμαντιών. Επί του παρόντος, ερευνητικά ιδρύματα όπως η China Electronics Technology Group Corporation (CETC) 38, το Πανεπιστήμιο Nanchang και το Ινστιτούτο Αεροναυτικών Υλικών του Πεκίνου προωθούν την αυτοφερόμενη διαδρομή επεξεργασίας αδαμαντοφόρου φιλμ. Ταυτόχρονα, Αρκετές εταιρείες εξοπλισμού ημιαγωγών έχουν επίσης αρχίσει να διερευνούν την ανάπτυξη εξοπλισμού κοπής λέιζερ και υπερήχων λείανσης κατάλληλου για επεξεργασία φύλλων διαμαντιών.

 

Εν ολίγοις, αυτό το τεχνολογικό επίτευγμα όχι μόνο καλύπτει το κενό στον τομέα των βασικών υλικών θερμικής διαχείρισης στην Κίνα, αλλά παρέχει επίσης ένα σημείο τεχνικής υποστήριξης για το βασικό υλικό στρώμα της αλυσίδας βιομηχανίας απαγωγής θερμότητας τσιπ υψηλής απόδοσης της Κίνας. Η μετάβαση των αδαμαντοφόρων υλικών από τη θεωρητική τιμή της "εξαιρετικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητας" στην πρακτική διαδικασία της "μαζικής παραγωγής, συσκευασία και συγκόλληση" γίνεται το επίκεντρο του ανταγωνισμού στη νέα γενιά τεχνολογίας θερμικής διαχείρισης τσιπ. Στο μέλλον, η συνεχής επανάληψη γύρω από τυποποιημένες διεπαφές, αξιοπιστία διεργασιών και συμβατότητα συσκευασίας θα καθορίσει τη βασική διαδρομή για το διαμάντι να μετακινηθεί πραγματικά από ένα "υλικό αστέρι" σε ένα "βιομηχανικό υλικό".