O altă descoperire în aplicarea diamantului în domeniul semiconductorilor

Odată cu progresul tehnologiei inteligenței artificiale, dimensiunile caracteristicilor circuitelor integrate sunt miniaturizate în mod continuu, iar densitatea de integrare continuă să crească, ceea ce duce la o creștere semnificativă a fluxului de căldură la nivel de dispozitiv. În prezent, densitatea fluxului de căldură al cipurilor electronice a atins aproximativ 1000 W/cm², punctele fierbinți locale depășind mii de W/cm². Dacă această căldură nu poate fi disipată eficient, temperaturile dispozitivului vor crește, performanța va scădea, stabilitatea și fiabilitatea vor fi compromise și, în cazuri extreme, se va produce defecțiune sau ardere termică.

 

Radiatoarele cu microcanale au devenit o tehnologie populară datorită eficienței termice ridicate, structurii compacte și ușurinței de integrare a sistemului. Cu toate acestea, ei se confruntă cu provocări precum căderea crescută a presiunii din cauza configurației lor geometrice și dificultății de menținere a proprietăților suprafeței la temperaturi ridicate. Diamantul, cu conductivitate termică extrem de ridicată (1000-2200 W/(m·K)), punct de topire ridicat și proprietăți de izolare electrică, substraturile de AlN cu avantajele lor în conductivitate termică și coeficient de dilatare termică și filmele subțiri Pt cu capacitățile lor duale de încălzire și măsurare a temperaturii, sunt materiale cheie pentru optimizarea sistemelor cu microcanale. Scopul este de a dezvolta o soluție de răcire integrată cu materiale eterogene, bazată pe CVD-DMC, pentru a aborda provocările gestionării termice cu flux ridicat de căldură.

 

Hu Dinghua de la Universitatea de Știință și Tehnologie Nanjing, în colaborare cu echipa lui Quanfeng Zhou de la Centrul de Cercetare Microsistem și Terahertz al Academiei Chinei de Inginerie Fizică, a propus recent o soluție de răcire integrată a materialului eterogen (DMC) bazată pe microcanale de depunere chimică în vapori (CVD). Folosind o combinație de simulare și metode experimentale, ei au investigat sistematic performanța transferului de căldură în condiții de flux de căldură ultra-înalt. Cercetarea, intitulată „Studiu experimental și numeric al răcirii cu microcanal de diamant CVD pentru matrițe integrate în materiale heterogene cu flux ridicat de căldură”, a fost publicată în Jurnalul Internațional de Transfer de căldură și masă.

 

Studiul a integrat microcanale de diamant CVD cu un substrat de nitrură de aluminiu (AlN), pe care au fost fabricate structuri nervurate de diferite geometrii utilizând microprelucrare laser femtosecundă. Studiul sa concentrat pe compararea caracteristicilor de transfer de căldură și de curgere ale nervurilor dreptunghiulare, circulare și în formă de romb pentru a determina parametrii optimi de proiectare. Studiul a comparat mai întâi performanța de disipare a căldurii a microcanalelor de diamant și siliciu cu aceeași structură. La un flux de căldură de 1100 W/cm², temperatura maximă a microcanalului de diamant a fost cu aproximativ 30 de grade mai mică decât cea a canalului de siliciu, demonstrând capacități superioare de conducere și difuzie a căldurii. Comparația dintre trei structuri nervurate demonstrează că structura nervură în formă de romb oferă performanțe superioare de management termic. La un debit de 144 ml/min, proba de nervură în formă de diamant a atins o temperatură maximă de aproximativ 66 de grade, mai mică decât cea a nervurilor circulare și drepte. Structura în formă de diamant perturbă eficient stratul limită, promovează amestecarea fluidelor și îmbunătățește coeficientul de transfer de căldură local; cu toate acestea, are ca rezultat și o cădere de presiune puțin mai mare. Indicele de evaluare a performanței (PEC) arată că structura în formă de diamant realizează un echilibru optim între transferul de căldură și consumul de energie.

 

Rezultatele cercetării oferă noi strategii de răcire pentru ambalajele electronice cu flux ridicat de căldură, dispozitivele de alimentare și cipurile AI. Conductivitatea termică ridicată și proprietățile de izolare electrică ale microcanalelor de diamant le fac promițătoare pentru aplicații viitoare în centre de date, module de frecvență radio și ambalaje 3D.