Ytterligare ett genombrott i tillämpningen av diamant inom halvledarområdet

Med utvecklingen av artificiell intelligens-teknik miniatyriseras funktionerna i integrerade kretsar kontinuerligt och integrationstätheten fortsätter att öka, vilket leder till en betydande ökning av enhets-värmeflödet. För närvarande har värmeflödestätheten för elektroniska chips nått cirka 1000 W/cm², med lokala hot spots som överstiger tusentals W/cm². Om denna värme inte kan avledas effektivt kommer enhetens temperaturer att stiga, prestandan försämras, stabilitet och tillförlitlighet äventyras och i extrema fall kommer fel eller termisk utbrändhet att inträffa.

 

Mikrokanals kylflänsar har blivit en populär teknik på grund av deras höga termiska effektivitet, kompakta struktur och enkla systemintegration. De möter dock utmaningar som ökat tryckfall på grund av sin geometriska konfiguration och svårigheter att bibehålla ytegenskaper vid höga temperaturer. Diamant, med sin extremt höga värmeledningsförmåga (1000-2200 W/(m・K)), höga smältpunkt och elektriska isoleringsegenskaper, AlN-substrat med sina fördelar i termisk konduktivitet och värmeutvidgningskoefficient, och Pt-tunna filmer med sina dubbla uppvärmnings- och temperaturmätningsmöjligheter för optimering av mikrokanalkylningssystem. Målet är att utveckla en heterogen materialintegrerad kyllösning baserad på CVD-DMC:er för att möta utmaningarna med termisk hantering av högt värmeflöde.

 

Hu Dinghua från Nanjing University of Science and Technology, i samarbete med Quanfeng Zhous team vid Microsystem and Terahertz Research Center vid China Academy of Engineering Physics, föreslog nyligen en kemisk ångavsättning (CVD) diamantmikrokanal-baserad lösning för heterogent material integrerad kylning (DMC). Med hjälp av en kombination av simulering och experimentella metoder undersökte de systematiskt dess värmeöverföringsprestanda under ultra-högt värmeflöde. Forskningen, med titeln "Experimentell och numerisk studie av CVD-diamantmikrokanalkylning för högt värmeflöde heterogena material-integrerade matriser," publicerades i International Journal of Heat and Mass Transfer.

 

Studien integrerade CVD-diamantmikrokanaler med ett aluminiumnitrid (AlN) substrat, på vilket ribbstrukturer med olika geometrier tillverkades med femtosekund lasermikrobearbetning. Studien fokuserade på att jämföra värmeöverförings- och flödesegenskaperna för rektangulära, cirkulära och diamantformade -ribbor för att bestämma de optimala designparametrarna. Studien jämförde först värmeavledningsprestanda för diamant- och kiselmikrokanaler med samma struktur. Vid ett värmeflöde på 1100 W/cm² var den maximala temperaturen för diamantmikrokanalen ungefär 30 grader lägre än den för kiselkanalen, vilket visar överlägsen värmelednings- och diffusionsförmåga. Jämförelse av tre ribbstrukturer visar att den diamant-formade ribbstrukturen erbjuder överlägsen värmehanteringsprestanda. Vid en flödeshastighet på 144 ml/min uppnådde det diamantformade-revbensprovet en maximal temperatur på cirka 66 grader, lägre än den för de cirkulära och raka revbenen. Den diamantformade-strukturen stör effektivt gränsskiktet, främjar vätskeblandning och förbättrar den lokala värmeöverföringskoefficienten; men det ger också ett något högre tryckfall. Performance Evaluation Index (PEC) visar att den diamantformade-strukturen uppnår en optimal balans mellan värmeöverföring och energiförbrukning.

 

Forskningsresultaten ger nya kylningsstrategier för hög-värme-elektronisk förpackning, kraftenheter och AI-chips. Diamantmikrokanalernas höga värmeledningsförmåga och elektriska isoleringsegenskaper gör dem lovande för framtida tillämpningar i datacenter, radiofrekvensmoduler och 3D-paketering.