Nok et gjennombrudd i anvendelsen av diamant i halvlederfeltet

Med utviklingen av kunstig intelligens-teknologi miniatyriseres funksjoner for integrerte kretser kontinuerlig, og integrasjonstettheten fortsetter å øke, noe som fører til en betydelig økning i enhets-varmefluks. For øyeblikket har varmeflukstettheten til elektroniske brikker nådd omtrent 1000 W/cm², med lokale hot spots som overstiger tusenvis av W/cm². Hvis denne varmen ikke kan spres effektivt, vil enhetens temperatur stige, ytelsen synke, stabilitet og pålitelighet vil bli kompromittert, og i ekstreme tilfeller vil feil eller termisk utbrenning oppstå.

 

Mikrokanals kjøleribber har blitt en populær teknologi på grunn av deres høye termiske effektivitet, kompakte struktur og enkle systemintegrasjon. Imidlertid møter de utfordringer som økt trykkfall på grunn av deres geometriske konfigurasjon og vanskeligheter med å opprettholde overflateegenskaper ved høye temperaturer. Diamond, med sin ekstremt høye termiske ledningsevne (1000-2200 W/(m・K)), høye smeltepunkt og elektriske isolasjonsegenskaper, AlN-substrater med sine fordeler innen termisk ledningsevne og termisk ekspansjonskoeffisient, og Pt-tynne filmer med sine doble oppvarmings- og temperaturmålingsevner for optimalisering av mikrokanalkjølesystemer. Målet er å utvikle en heterogen materialintegrert kjøleløsning basert på CVD-DMC-er for å møte utfordringene med termisk styring med høy varmefluks.

 

Hu Dinghua fra Nanjing University of Science and Technology, i samarbeid med Quanfeng Zhous team ved Microsystem and Terahertz Research Center ved China Academy of Engineering Physics, foreslo nylig en kjemisk dampavsetning (CVD) diamantmikrokanal-basert heterogent materiale integrert kjøling (DMC)-løsning. Ved å bruke en kombinasjon av simulering og eksperimentelle metoder, undersøkte de systematisk varmeoverføringsytelsen under ultra-høy ​​varmefluksforhold. Forskningen, med tittelen "Eksperimentell og numerisk studie av CVD-diamant-mikrokanalkjøling for heterogent materiale med høy varmefluks-integrerte dyser," ble publisert i International Journal of Heat and Mass Transfer.

 

Studien integrerte CVD-diamantmikrokanaler med et aluminiumnitrid (AlN) substrat, hvor ribbestrukturer med varierende geometrier ble fremstilt ved bruk av femtosekund lasermikromaskinering. Studien fokuserte på å sammenligne varmeoverførings- og strømningsegenskapene til rektangulære, sirkulære og diamantformede -ribber for å bestemme de optimale designparametrene. Studien sammenlignet først varmeavledningsytelsen til diamant- og silisiummikrokanaler med samme struktur. Ved en varmefluks på 1100 W/cm² var den maksimale temperaturen til diamantmikrokanalen omtrent 30 grader lavere enn for silisiumkanalen, noe som viser overlegne varmelednings- og diffusjonsevner. Sammenligning av tre ribbestrukturer viser at den diamant-formede ribbestrukturen gir overlegen termisk styringsytelse. Ved en strømningshastighet på 144 ml/min oppnådde den diamantformede ribbeprøven en maksimal temperatur på omtrent 66 grader, lavere enn den for de sirkulære og rette ribbeina. Den diamantformede-strukturen forstyrrer effektivt grenselaget, fremmer væskeblanding og forbedrer den lokale varmeoverføringskoeffisienten; men det resulterer også i et litt høyere trykkfall. Ytelsesevalueringsindeksen (PEC) viser at den diamantformede-strukturen oppnår en optimal balanse mellom varmeoverføring og energiforbruk.

 

Forskningsresultatene gir nye kjølestrategier for høy-varme-elektronisk emballasje, strømenheter og AI-brikker. Den høye termiske ledningsevnen og elektriske isolasjonsegenskapene til diamantmikrokanaler gjør dem lovende for fremtidige applikasjoner i datasentre, radiofrekvensmoduler og 3D-emballasje.