Nieuwste vooruitgang in Diamond Heat Dissipation Research

Tegen de achtergrond van continue evolutie in krachtige computer, krachtige communicatieapparaten en 3D-verpakkingen, is thermisch beheer een kerntechnologisch knelpunt geworden dat verdere versnelling van chips beperkt. Vooral de hoge thermische fluxdichtheid gebracht door halfgeleiders van de derde generatie zoals siliciumcarbide (SIC) en galliumnitride (GAN) onder hoogfrequente en krachtige omstandigheden heeft traditionele siliconen gebaseerde warmtedissipatie-oplossingen geleidelijk onhoudbaar gemaakt.

 

Aangezien het materiaal met de hoogste thermische geleidbaarheid, heeft Diamond in theorie en experimenten uitstekende warmtedissipatiemogelijkheden aangetoond, en de potentiële waarde ervan in gebieden zoals warmtedissipatie-substraten, koellichamen en on-chip-integratie wint snel herevaluatie in de industrie. De onopgeloste problemen van stresscontrole en procesaanpassing op materiaalniveau hebben echter altijd het tempo van de industrialisatie belemmerd.

Onlangs heeft het Jiangnan-onderzoeksteam van Ningbo Institute of Materials, de Chinese Academie van Wetenschappen met succes een grote omvang voorbereid 4- inch Ultradunne, ultra-lage Warpage Diamond Self-Supporting Film, die een belangrijke doorbraak biedt voor de technologie om te gaan naar praktische verpakkingstoepassingen.

 

De huidige toepassing van diamant op het gebied van thermisch beheer is vooral gericht op twee technologische paden: één is om diamant als een substraat te gebruiken, gecombineerd met silicium-, GaN- of SIC -materialen om de totale apparaatverwarmingsdissipatieprestaties te verbeteren; De tweede methode is om diamanten koellichamen of films te bereiden via CVD, het bereiken van directe contactverwarmingsdissipatie voor chipwarmtebronnen. Ongeacht de vorm staat het echter voor de structurele uitdaging van "overmatige kromtrekken na het verwijderen van substraat". Vooral in gevallen waarin de filmdikte minder dan 100 μm is en de grootte groter is dan 2 inch, kunnen factoren zoals interne stressaccumulatie en ongelijke interfacegroei een significante vervorming veroorzaken, die niet kunnen voldoen aan de hot press -verpakkingsnormen van het bindingsproces. Dit knelpunt heeft al lang de grootschalige promotie van diamantmaterialen in chip directe binding warmte-dissipatietoepassingen beperkt. Hoewel hun warmtedissipatieprestaties veel superieur zijn aan traditionele materialen zoals koper en aluminiumnitride, zijn ze moeilijk te verkrijgen industriële massa -acceptatie.

 

Onderzoekers hebben met succes de stress en de warpage van diamanten zelfondersteunende dunne films verminderd zonder de filmkwaliteit op te offeren door het dampafzettingsproces te optimaliseren, waardoor de substraatverwijdering en warmtebehandelingsproces worden verbeterd. De 4- inch diamantfilm bereid door het team heeft een dikte van minder dan 100 μm, een warpage die binnen 10 μm wordt geregeld, en kan stevig hechten aan glazen substraten onder geen externe krachtomstandigheden, die het vermogen van het zelfadsorptie bezitten. Deze uitvoering voldoet niet alleen aan de warpage -eisen van chipkwarmingslot, maar biedt ook de mogelijkheid om diamantfilms op te nemen in geavanceerde verpakkingsprocessen zoals heterogene integratie en 3D -stapel. Deze technologische doorbraak heeft een grote betekenis in de industriële keten. De industriële keten van diamant thermische beheersmaterialen kan ruwweg worden onderverdeeld in vier links: materiaalsynthese, morfologiebeheersing en kristaloriëntatie, structurele verwerking en precisie snijden en integratie met chips of verpakkingsstructuren. Onder hen, in de eerste fase, heeft de Chinese industrie in feite lokale ondersteunende faciliteiten gevormd uit hoogzuivere gasbronnen (zoals methaan en waterstof) tot reactieapparatuur (CVD-systemen), en sommige ondernemingen hebben commerciële groei van diamantfilms met grote delen bereikt; De tweede stap is om de kern van filmkwaliteit en stresscontrole te bereiken, waarbij de prestaties van het Ningbo Materials Institute de belangrijkste technologische kloof vullen; De laatste twee - precisie -bewerking en verpakkingsintegratie - zijn nog steeds bezeten door enkele overzeese ondernemingen met volledige procesmogelijkheden, waardoor belangrijke controlepunten worden voor binnenlandse materialen om het industriële einde te betreden.

 

Vooral op het gebied van chipverpakkingen kan het direct binden van diamantfilms aan het oppervlak van power device -chips (zoals GaN -stroomversterkers) aanzienlijk de thermische weerstand van de interface verminderen en de chip junction -temperatuur stabiliseren, waardoor de levensduur wordt verlengd en de frequentiestabiliteit wordt verbeterd. In het verleden gebruikten verpakkingsfabrikanten, vanwege de hoge oppervlakteruwheid en de kring van diamant, vaak de methode om een ​​koperen tussenliggende laag te bevestigen om indirecte warmtedissipatie te bereiken, maar dit offerde de uitstekende thermische geleidbaarheid van diamant sterk op. Daarom is het bereiken van een zelfvoorzienende structuur met lage oppervlaktestress en hoge vlakheid een voorwaarde voor het bereiken van directe thermische koppeling tussen chips en diamanten. Als dit proces kan worden gestandaardiseerd, wordt dit het startpunt voor oplossingen voor thermische beheer naar overgang van experimentele verificatie naar wafelsniveau verpakkingssystemen.

 

Vanuit het perspectief van de stroomafwaartse industrie zijn de belangrijkste toepassingen van diamant thermisch managementmaterialen gericht op hoogfrequente communicatie (zoals 5G-basisstations, millimeter golfradar), krachtige elektronica (nieuwe energievoertuigen, omvormers, industriële stroommodules) en high-end computing (datacenter AI-chips). Vooral in AI -server GPU's met chip thermisch ontwerpvermogen (TDP) van meer dan 400 W, heeft de warmtedissipatie -efficiëntie van het traditionele luchtkoelsysteem de neiging om zijn limiet te bereiken, met meer dan 40% van het stroomverbruik van het systeem dat wordt gebruikt voor thermisch beheer, en een belangrijke niet -lineaire factor wordt die verder toeneemt in de rekenkracht. Diamantwarmte -dissipatiematerialen, vanwege hun hoge thermische geleidbaarheid en elektrische isolatie -eigenschappen, zullen naar verwachting direct worden ingekapseld in het warmtebronoppervlak van chips, ter vervanging van traditionele grafietkoperen composietstructuren. In deze richting hebben internationale bedrijven zoals coherent en element zes achtereenvolgens diamantwarmte zinkproducten vrijgegeven, gericht op hoogwaardige chipfabrikanten zoals Nvidia en AMD, terwijl China nog steeds in de fase van technische monsters en gerichte toepassingen op sommige militaire gebieden bevindt.

 

Vanuit het perspectief van trends in de ontwikkeling van de industrie, komen diamantwarmte -dissipatiematerialen in een fase van transformatie van "laboratoriumprestaties" naar "technische technologie". De factoren die de schaaltoepassing beperken, zijn niet langer gericht op de thermische geleidbaarheid zelf, maar zijn verschoven naar productieproblemen zoals thermische expansie -matching, interface -bindingsstabiliteit en mechanisch aanpassingsvermogen. Daarom kan degene die eerst de industriële gesloten lus van "Materials Devices Packaging" doorbreken, een eerste verhuizingsvoordeel krijgen in de Diamond Thermal Management Track. Momenteel bevorderen onderzoeksinstellingen, waaronder China Electronics Technology Group Corporation (CETC) 38, Nanchang University en Beijing Institute of Aeronautical Materials. Tegelijkertijd zijn verschillende halfgeleiderapparatuurbedrijven ook begonnen met het verkennen van de ontwikkeling van lasersnijden en ultrasone slijpapparatuur die geschikt is voor het verwerken van diamanten.

 

Kortom, deze technologische doorbraak vult niet alleen de kloof op het gebied van belangrijke thermische managementmaterialen in China, maar biedt ook een technisch ondersteuningspunt voor de kernmateriaallaag van China's krachtige chip warmtedissipatie-industriële keten. De overgang van diamantmaterialen uit de theoretische waarde van "ultrahoge thermische geleidbaarheid" naar het praktische proces van "massaproductie, verpakking en binding" wordt de focus van concurrentie in de nieuwe generatie chip thermische managementtechnologie. In de toekomst zullen continue iteratie rond gestandaardiseerde interfaces, procesbetrouwbaarheid en verpakkingscompatibiliteit het belangrijkste pad voor diamant bepalen om echt van een "sterrenmateriaal" naar een "industrieel materiaal" te gaan.