Ein weiterer Durchbruch bei der Anwendung von Diamant im Halbleiterbereich

Mit der Weiterentwicklung der Technologie der künstlichen Intelligenz werden die Funktionsgrößen integrierter Schaltkreise kontinuierlich miniaturisiert und die Integrationsdichte nimmt weiter zu, was zu einem erheblichen Anstieg des Wärmeflusses auf Geräteebene führt. Derzeit erreicht die Wärmeflussdichte elektronischer Chips etwa 1000 W/cm², wobei lokale Hotspots Tausende von W/cm² überschreiten. Wenn diese Wärme nicht effektiv abgeführt werden kann, steigen die Gerätetemperaturen, die Leistung sinkt, Stabilität und Zuverlässigkeit werden beeinträchtigt und im Extremfall kommt es zu Ausfällen oder thermischen Durchbrennen.

 

Mikrokanal-Kühlkörper sind aufgrund ihrer hohen thermischen Effizienz, kompakten Struktur und einfachen Systemintegration zu einer beliebten Technologie geworden. Sie stehen jedoch vor Herausforderungen wie einem erhöhten Druckabfall aufgrund ihrer geometrischen Konfiguration und der Schwierigkeit, die Oberflächeneigenschaften bei hohen Temperaturen aufrechtzuerhalten. Diamant mit seiner extrem hohen Wärmeleitfähigkeit (1000-2200 W/(m・K)), seinem hohen Schmelzpunkt und seinen elektrischen Isolationseigenschaften, AlN-Substrate mit ihren Vorteilen in der Wärmeleitfähigkeit und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie Pt-Dünnfilme mit ihren dualen Heiz- und Temperaturmessfunktionen sind Schlüsselmaterialien für die Optimierung von Mikrokanal-Kühlsystemen. Ziel ist die Entwicklung einer heterogenen materialintegrierten Kühllösung auf Basis von CVD-DMCs, um den Herausforderungen des Wärmemanagements mit hohem Wärmefluss zu begegnen.

 

Hu Dinghua von der Nanjing University of Science and Technology schlug kürzlich in Zusammenarbeit mit Quanfeng Zhous Team am Microsystem and Terahertz Research Center der China Academy of Engineering Physics eine Lösung für die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) mit Diamant-Mikrokanälen- vor, die auf der heterogenen materialintegrierten Kühlung (DMC) basiert. Mithilfe einer Kombination aus Simulations- und experimentellen Methoden untersuchten sie systematisch die Wärmeübertragungsleistung unter extrem hohen Wärmeflussbedingungen. Die Forschungsarbeit mit dem Titel „Experimentelle und numerische Untersuchung der CVD-Diamant-Mikrokanalkühlung für integrierte Stempel aus heterogenem Material mit hohem Wärmefluss“ wurde im International Journal of Heat and Mass Transfer veröffentlicht.

 

Die Studie integrierte CVD-Diamant-Mikrokanäle mit einem Aluminiumnitrid (AlN)-Substrat, auf dem mithilfe der Femtosekundenlaser-Mikrobearbeitung Rippenstrukturen unterschiedlicher Geometrie hergestellt wurden. Die Studie konzentrierte sich auf den Vergleich der Wärmeübertragungs- und Strömungseigenschaften von rechteckigen, kreisförmigen und rautenförmigen Rippen, um die optimalen Designparameter zu bestimmen. Die Studie verglich zunächst die Wärmeableitungsleistung von Diamant- und Silizium-Mikrokanälen mit derselben Struktur. Bei einem Wärmefluss von 1100 W/cm² war die maximale Temperatur des Diamant-Mikrokanals etwa 30 Grad niedriger als die des Siliziumkanals, was eine überlegene Wärmeleitungs- und -diffusionsfähigkeit beweist. Der Vergleich von drei Rippenstrukturen zeigt, dass die rautenförmige Rippenstruktur eine hervorragende Wärmemanagementleistung bietet. Bei einer Flussrate von 144 ml/min erreichte die rautenförmige Rippenprobe eine maximale Temperatur von etwa 66 Grad, niedriger als die der kreisförmigen und geraden Rippen. Die rautenförmige Struktur stört effektiv die Grenzschicht, fördert die Flüssigkeitsmischung und verbessert den lokalen Wärmeübertragungskoeffizienten; es resultiert jedoch auch ein etwas höherer Druckabfall. Der Performance Evaluation Index (PEC) zeigt, dass die rautenförmige Struktur ein optimales Gleichgewicht zwischen Wärmeübertragung und Energieverbrauch erreicht.

 

Die Forschungsergebnisse liefern neue Kühlstrategien für elektronische Verpackungen mit hohem -Wärmefluss-, Leistungsgeräte und KI-Chips. Die hohe Wärmeleitfähigkeit und die elektrischen Isolationseigenschaften von Diamant-Mikrokanälen machen sie vielversprechend für zukünftige Anwendungen in Rechenzentren, Hochfrequenzmodulen und 3D-Verpackungen.