Một bước đột phá khác trong ứng dụng kim cương trong lĩnh vực bán dẫn

Với sự tiến bộ của công nghệ trí tuệ nhân tạo, kích thước tính năng mạch tích hợp liên tục được thu nhỏ và mật độ tích hợp tiếp tục tăng, dẫn đến thông lượng nhiệt ở cấp độ thiết bị-tăng đáng kể. Hiện nay, mật độ thông lượng nhiệt của chip điện tử đã đạt xấp xỉ 1000 W/cm2, có điểm nóng cục bộ vượt quá hàng nghìn W/cm2. Nếu lượng nhiệt này không thể được tản đi một cách hiệu quả, nhiệt độ của thiết bị sẽ tăng lên, hiệu suất sẽ giảm, độ ổn định và độ tin cậy sẽ bị ảnh hưởng và trong những trường hợp nghiêm trọng, sẽ xảy ra hỏng hóc hoặc cháy nổ do nhiệt.

 

Tản nhiệt vi kênh đã trở thành một công nghệ phổ biến nhờ hiệu suất nhiệt cao, cấu trúc nhỏ gọn và dễ tích hợp hệ thống. Tuy nhiên, chúng phải đối mặt với những thách thức như độ giảm áp suất tăng do cấu hình hình học và khó duy trì các đặc tính bề mặt ở nhiệt độ cao. Kim cương, với độ dẫn nhiệt cực cao (1000-2200 W/(m・K)), điểm nóng chảy cao và đặc tính cách điện, chất nền AlN với ưu điểm về độ dẫn nhiệt và hệ số giãn nở nhiệt, cũng như màng mỏng Pt với khả năng đo nhiệt độ và gia nhiệt kép, là những vật liệu chính để tối ưu hóa hệ thống làm mát vi kênh. Mục tiêu là phát triển giải pháp làm mát tích hợp vật liệu không đồng nhất dựa trên CVD-DMC để giải quyết các thách thức về quản lý nhiệt thông lượng nhiệt cao.

 

Hu Dinghua từ Đại học Khoa học và Công nghệ Nam Kinh, phối hợp với nhóm của Quanfeng Chu tại Trung tâm Nghiên cứu Vi mô và Terahertz của Viện Vật lý Kỹ thuật Trung Quốc, gần đây đã đề xuất giải pháp làm mát tích hợp vật liệu không đồng nhất (DMC) dựa trên vật liệu không đồng nhất (DMC) lắng đọng hơi hóa học (CVD). Bằng cách kết hợp các phương pháp mô phỏng và thử nghiệm, họ đã nghiên cứu một cách có hệ thống hiệu suất truyền nhiệt của nó trong điều kiện dòng nhiệt cực cao. Nghiên cứu có tiêu đề "Nghiên cứu thực nghiệm và số học về làm mát vi kênh kim cương CVD cho vật liệu không đồng nhất có dòng nhiệt cao{4}}khuôn tích hợp" đã được công bố trên Tạp chí Quốc tế về Truyền nhiệt và Khối lượng.

 

Nghiên cứu đã tích hợp các vi mạch kim cương CVD với chất nền nhôm nitride (AlN), trên đó các cấu trúc sườn có hình dạng khác nhau được chế tạo bằng cách sử dụng vi gia công laser femtosecond. Nghiên cứu tập trung vào việc so sánh các đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy của các gân hình chữ nhật, hình tròn và hình kim cương-để xác định các thông số thiết kế tối ưu. Nghiên cứu lần đầu tiên so sánh hiệu suất tản nhiệt của vi mạch kim cương và silicon có cùng cấu trúc. Ở dòng nhiệt 1100 W/cm2, nhiệt độ tối đa của vi kênh kim cương thấp hơn khoảng 30 độ so với kênh silicon, thể hiện khả năng dẫn nhiệt và khuếch tán nhiệt vượt trội. So sánh ba cấu trúc sườn chứng tỏ rằng cấu trúc sườn hình kim cương-mang lại hiệu suất quản lý nhiệt vượt trội. Ở tốc độ dòng chảy 144 mL/phút, mẫu sườn hình kim cương{10}}đã đạt được nhiệt độ tối đa khoảng 66 độ, thấp hơn so với nhiệt độ của sườn tròn và thẳng. Cấu trúc hình kim cương{13}}phá vỡ lớp ranh giới một cách hiệu quả, thúc đẩy sự trộn lẫn chất lỏng và cải thiện hệ số truyền nhiệt cục bộ; tuy nhiên, nó cũng dẫn đến giảm áp suất cao hơn một chút. Chỉ số đánh giá hiệu suất (PEC) cho thấy cấu trúc hình kim cương{15}}đạt được sự cân bằng tối ưu giữa truyền nhiệt và tiêu thụ năng lượng.

 

Kết quả nghiên cứu cung cấp các chiến lược làm mát mới cho bao bì điện tử thông lượng-nhiệt-cao, thiết bị điện và chip AI. Đặc tính dẫn nhiệt và cách điện cao của vi mạch kim cương khiến chúng hứa hẹn cho các ứng dụng trong tương lai trong trung tâm dữ liệu, mô-đun tần số vô tuyến và bao bì 3D.