Još jedno otkriće u primjeni dijamanta u polju poluvodiča

S napretkom tehnologije umjetne inteligencije, veličine značajki integriranog kruga kontinuirano se minijaturiziraju, a gustoća integracije se nastavlja povećavati, što dovodi do značajnog povećanja toplinskog toka-na razini uređaja. Trenutno je gustoća toplinskog toka elektroničkih čipova dosegla približno 1000 W/cm², s lokalnim vrućim točkama koje prelaze tisuće W/cm². Ako se ova toplina ne može učinkovito raspršiti, temperatura uređaja će porasti, izvedba će se smanjiti, stabilnost i pouzdanost će biti ugroženi, au ekstremnim slučajevima doći će do kvara ili toplinskog izgaranja.

 

Mikrokanalni hladnjaki postali su popularna tehnologija zbog svoje visoke toplinske učinkovitosti, kompaktne strukture i jednostavnosti integracije sustava. Međutim, suočavaju se s izazovima poput povećanog pada tlaka zbog svoje geometrijske konfiguracije i poteškoća u održavanju svojstava površine na visokim temperaturama. Dijamant, sa svojom izuzetno visokom toplinskom vodljivošću (1000-2200 W/(m・K)), visokim talištem i električnim izolacijskim svojstvima, AlN supstrati sa svojim prednostima u toplinskoj vodljivosti i koeficijentu toplinskog širenja, te Pt tanki filmovi sa svojim mogućnostima dvostrukog grijanja i mjerenja temperature, ključni su materijali za optimizaciju mikrokanalnih sustava hlađenja. Cilj je razviti rashladno rješenje integrirano s heterogenim materijalom temeljeno na CVD-DMC-ima kako bi se odgovorilo na izazove upravljanja toplinom visokog toplinskog toka.

 

Hu Dinghua sa Sveučilišta za znanost i tehnologiju u Nanjingu, u suradnji s timom Quanfeng Zhoua iz Centra za istraživanje mikrosustava i terahertza Kineske akademije inženjerske fizike, nedavno je predložio rješenje integriranog hlađenja (DMC) s dijamantnim mikrokanalom-zasnovano na kemijskom naparivanju (CVD). Koristeći kombinaciju simulacije i eksperimentalnih metoda, sustavno su istraživali njegov prijenos topline u uvjetima ultra-visokog toplinskog toka. Istraživanje pod nazivom "Eksperimentalna i numerička studija CVD dijamantnog mikrokanalnog hlađenja za heterogene materijale s visokim toplinskim protokom-integrirane matrice" objavljeno je u International Journal of Heat and Mass Transfer.

 

Studija je integrirala CVD dijamantne mikrokanale s podlogom od aluminijeva nitrida (AlN), na kojoj su rebraste strukture različitih geometrija izrađene uporabom femtosekundne laserske mikrostrojne obrade. Studija je bila usmjerena na usporedbu prijenosa topline i karakteristika protoka pravokutnih, kružnih i rebara-u obliku dijamanta kako bi se odredili optimalni parametri dizajna. Studija je prvo usporedila performanse disipacije topline dijamantnih i silikonskih mikrokanala s istom strukturom. Pri toplinskom toku od 1100 W/cm², maksimalna temperatura dijamantnog mikrokanala bila je približno 30 stupnjeva niža od temperature silicijevog kanala, pokazujući superiornu sposobnost provođenja topline i difuzije. Usporedba tri rebraste strukture pokazuje da rebrasta-struktura u obliku dijamanta nudi vrhunske performanse upravljanja toplinom. Pri brzini protoka od 144 mL/min, uzorak rebara-u obliku dijamanta postigao je maksimalnu temperaturu od približno 66 stupnjeva, nižu od temperature kružnih i ravnih rebara. Struktura u obliku-dijamanta učinkovito remeti granični sloj, potiče miješanje tekućine i poboljšava lokalni koeficijent prijenosa topline; međutim, rezultira i nešto većim padom tlaka. Indeks procjene učinka (PEC) pokazuje da struktura u obliku -dijamanta postiže optimalnu ravnotežu između prijenosa topline i potrošnje energije.

 

Rezultati istraživanja pružaju nove strategije hlađenja za visoko{0}}toplinsko-elektronička pakiranja, uređaje za napajanje i AI čipove. Visoka toplinska vodljivost i svojstva električne izolacije dijamantnih mikrokanala čine ih obećavajućim za buduće primjene u podatkovnim centrima, radiofrekvencijskim modulima i 3D pakiranjima.