Toinen läpimurto timantin soveltamisessa puolijohdealalla

Tekoälyteknologian kehittyessä integroitujen piirien ominaisuuksien kokoa pienennetään jatkuvasti ja integraatiotiheys kasvaa jatkuvasti, mikä lisää merkittävästi laitteen{0}}tason lämpövirtaa. Tällä hetkellä elektronisten sirujen lämpövuon tiheys on saavuttanut noin 1000 W/cm², ja paikalliset kuumat pisteet ylittävät tuhansia W/cm². Jos tätä lämpöä ei voida poistaa tehokkaasti, laitteen lämpötila nousee, suorituskyky heikkenee, vakaus ja luotettavuus heikkenevät ja äärimmäisissä tapauksissa tapahtuu vika tai lämpöpalaminen.

 

Mikrokanavajäähdytyslevyistä on tullut suosittu tekniikka korkean lämpöhyötysuhteensa, kompaktin rakenteensa ja helpon järjestelmän integroinnin ansiosta. He kohtaavat kuitenkin haasteita, kuten lisääntynyt paineen aleneminen niiden geometrisen konfiguraation vuoksi ja vaikeudet ylläpitää pintaominaisuuksia korkeissa lämpötiloissa. Timantti, jolla on äärimmäisen korkea lämmönjohtavuus (1000{4}}2200 W/(m・K), korkea sulamispiste ja sähköeristysominaisuudet, AlN-substraatit ja niiden edut lämmönjohtavuudessa ja lämpölaajenemiskertoimessa sekä Pt-ohutkalvot, joilla on kaksoislämmitys- ja lämpötilamittausominaisuudet, ovat avainmateriaaleja mikrokanavajäähdytysjärjestelmien optimoinnissa. Tavoitteena on kehittää heterogeenisiin materiaaleihin integroitu CVD-DMC:iin perustuva jäähdytysratkaisu, joka vastaa korkean lämpövuon lämmönhallinnan haasteisiin.

 

Hu Dinghua Nanjingin tiede- ja teknologiayliopistosta yhteistyössä Quanfeng Zhoun Microsystemin ja Kiinan teknisen fysiikan akatemian Terahertz-tutkimuskeskuksen tiimin kanssa ehdotti äskettäin kemialliseen höyrypinnoitukseen (CVD) perustuvaa timanttimikrokanava{0}}pohjaista heterogeeniseen materiaaliin integroitua jäähdytysratkaisua (DMC). Simulaatio- ja kokeellisten menetelmien yhdistelmällä he tutkivat systemaattisesti sen lämmönsiirtokykyä ultra-korkean lämpövirran olosuhteissa. Tutkimus, jonka otsikko on "CVD:n timanttimikrokanavajäähdytyksen kokeellinen ja numeerinen tutkimus korkean lämpövuon heterogeenisten materiaalien -integroiduissa muotteissa", julkaistiin International Journal of Heat and Mass Transfer -lehdessä.

 

Tutkimuksessa integroitiin CVD-timanttimikrokanavia alumiininitridi (AlN) -substraatilla, joille valmistettiin geometrialtaan vaihtelevia riparakenteita femtosekunnin lasermikrotyöstöllä. Tutkimuksessa keskityttiin suorakaiteen, pyöreän ja vinoneliön muotoisten ripojen lämmönsiirto- ja virtausominaisuuksien vertailuun optimaalisten suunnitteluparametrien määrittämiseksi. Tutkimuksessa verrattiin ensin saman rakenteen omaavien timantti- ja piimikrokanavien lämmönpoistokykyä. Lämpövirralla 1100 W/cm² timanttimikrokanavan maksimilämpötila oli noin 30 astetta alhaisempi kuin piikanavan, mikä osoittaa erinomaisen lämmönjohtavuuden ja diffuusiokyvyn. Kolmen riparakenteen vertailu osoittaa, että vinoneliön{7}}muotoinen riparakenne tarjoaa erinomaisen lämmönhallinnan suorituskyvyn. Virtausnopeudella 144 ml/min timantin muotoinen ripanäyte saavutti maksimilämpötilan, joka oli noin 66 astetta, alhaisempi kuin pyöreiden ja suorien ripojen lämpötila. Timantin muotoinen rakenne rikkoo tehokkaasti rajakerroksen, edistää nesteen sekoittumista ja parantaa paikallista lämmönsiirtokerrointa. se kuitenkin johtaa myös hieman korkeampaan paineen laskuun. Suorituskyvyn arviointiindeksi (PEC) osoittaa, että timantin muotoinen rakenne saavuttaa optimaalisen tasapainon lämmönsiirron ja energiankulutuksen välillä.

 

Tutkimustulokset tarjoavat uusia jäähdytysstrategioita korkean -lämpövirta-elektroniikkapakkauksille, teholaitteille ja tekoälysiruille. Timanttimikrokanavien korkea lämmönjohtavuus ja sähköeristysominaisuudet tekevät niistä lupaavia tulevaisuuden sovelluksiin datakeskuksissa, radiotaajuusmoduuleissa ja 3D-pakkauksissa.