Opnieuw een doorbraak in de toepassing van diamant op het gebied van halfgeleiders

Met de vooruitgang van de kunstmatige intelligentietechnologie worden de afmetingen van geïntegreerde schakelingen voortdurend geminiaturiseerd en blijft de integratiedichtheid toenemen, wat leidt tot een aanzienlijke toename van de warmtestroom op apparaat-niveau. Momenteel heeft de warmtefluxdichtheid van elektronische chips ongeveer 1000 W/cm² bereikt, waarbij lokale hotspots de duizenden W/cm² overschrijden. Als deze warmte niet effectief kan worden afgevoerd, zal de temperatuur van het apparaat stijgen, zullen de prestaties afnemen, zullen de stabiliteit en betrouwbaarheid in gevaar komen, en in extreme gevallen zal er een storing of thermische burn-out optreden.

 

Microchannel-koellichamen zijn een populaire technologie geworden vanwege hun hoge thermische efficiëntie, compacte structuur en gemakkelijke systeemintegratie. Ze worden echter geconfronteerd met uitdagingen zoals een grotere drukval als gevolg van hun geometrische configuratie en de moeilijkheid om de oppervlakte-eigenschappen bij hoge temperaturen te behouden. Diamant, met zijn extreem hoge thermische geleidbaarheid (1000-2200 W/(m・K)), hoog smeltpunt en elektrische isolatie-eigenschappen, AlN-substraten met hun voordelen op het gebied van thermische geleidbaarheid en thermische uitzettingscoëfficiënt, en Pt-dunne films met hun dubbele verwarmings- en temperatuurmetingsmogelijkheden, zijn sleutelmaterialen voor het optimaliseren van microkanaalkoelsystemen. Het doel is om een ​​heterogene materiaalgeïntegreerde koeloplossing te ontwikkelen op basis van CVD-DMC's om de uitdagingen van thermisch beheer met hoge warmtefluxen aan te pakken.

 

Hu Dinghua van de Nanjing Universiteit voor Wetenschap en Technologie heeft onlangs, in samenwerking met het team van Quanfeng Zhou bij het Microsystem and Terahertz Research Center van de China Academy of Engineering Physics, een op chemische dampafzetting (CVD) diamantmicrokanaal-gebaseerde heterogene materiaal geïntegreerde koeling (DMC)-oplossing voorgesteld. Met behulp van een combinatie van simulatie en experimentele methoden onderzochten ze systematisch de prestaties van de warmteoverdracht onder ultra-hoge warmtefluxomstandigheden. Het onderzoek, getiteld 'Experimentele en numerieke studie van CVD diamant microkanaalkoeling voor heterogene materiaal-geïntegreerde matrijzen met hoge warmteflux', werd gepubliceerd in het International Journal of Heat and Mass Transfer.

 

De studie integreerde CVD-diamantmicrokanalen met een aluminiumnitride (AlN) substraat, waarop ribstructuren met verschillende geometrieën werden vervaardigd met behulp van femtoseconde lasermicrobewerking. Het onderzoek richtte zich op het vergelijken van de warmteoverdrachts- en stromingseigenschappen van rechthoekige, cirkelvormige en ruit-vormige ribben om de optimale ontwerpparameters te bepalen. De studie vergeleek eerst de warmteafvoerprestaties van diamant- en siliciummicrokanalen met dezelfde structuur. Bij een warmteflux van 1100 W/cm² was de maximale temperatuur van het diamantmicrokanaal ongeveer 30 graden lager dan die van het siliciumkanaal, wat een superieure warmtegeleidings- en diffusiecapaciteit aantoont. Vergelijking van drie ribstructuren toont aan dat de ruit-vormige ribstructuur superieure thermische beheerprestaties biedt. Bij een stroomsnelheid van 144 ml/min bereikte het diamantvormige ribmonster een maximale temperatuur van ongeveer 66 graden, lager dan die van de ronde en rechte ribben. De ruit-vormige structuur verstoort effectief de grenslaag, bevordert de vloeistofmenging en verbetert de lokale warmteoverdrachtscoëfficiënt; het resulteert echter ook in een iets hogere drukval. De prestatie-evaluatie-index (PEC) laat zien dat de ruit-vormige structuur een optimaal evenwicht bereikt tussen warmteoverdracht en energieverbruik.

 

De onderzoeksresultaten bieden nieuwe koelstrategieën voor elektronische verpakkingen, stroomapparaten en AI-chips met een hoge-warmte-flux. De hoge thermische geleidbaarheid en elektrische isolatie-eigenschappen van diamantmicrokanalen maken ze veelbelovend voor toekomstige toepassingen in datacenters, radiofrequentiemodules en 3D-verpakkingen.