Tiến bộ mới nhất trong nghiên cứu tản nhiệt kim cương

Trong bối cảnh tiến hóa liên tục trong điện toán hiệu suất cao, các thiết bị truyền thông công suất cao và bao bì 3D, quản lý nhiệt đã trở thành một nút cổ chai công nghệ cốt lõi, hạn chế tăng tốc của chip. Đặc biệt mật độ thông lượng nhiệt cao được tạo ra bởi các chất bán dẫn thế hệ thứ ba như silicon cacbua (SIC) và gallium nitride (GAN) trong điều kiện tần số cao và năng lượng cao đã khiến các giải pháp tản nhiệt dựa trên silicon truyền thống dần không thể bền vững.

 

Là vật liệu có độ dẫn nhiệt cao nhất, Diamond đã chứng minh khả năng phân tán nhiệt tuyệt vời trong lý thuyết và thí nghiệm, và giá trị tiềm năng của nó trong các khu vực như chất nền tản nhiệt, tản nhiệt và tích hợp trên chip đang nhanh chóng đánh giá lại ngành. Tuy nhiên, các vấn đề chưa được giải quyết về kiểm soát căng thẳng và thích ứng quá trình ở cấp độ vật chất luôn cản trở tốc độ công nghiệp hóa của nó.

Gần đây, nhóm nghiên cứu Jiangnan của Viện Vật liệu Ningbo, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã chuẩn bị thành công một kích thước lớn 4- inch siêu mỏng, cực kỳ thấp, bộ phim tự hỗ trợ kim cương cực kỳ thấp, cung cấp một bước đột phá quan trọng cho công nghệ để chuyển sang các ứng dụng đóng gói thực tế.

 

Ứng dụng hiện tại của kim cương trong lĩnh vực quản lý nhiệt chủ yếu tập trung vào hai con đường công nghệ: một là sử dụng kim cương làm chất nền, kết hợp với vật liệu silicon, gan hoặc sic để cải thiện hiệu suất phân tán nhiệt thiết bị tổng thể; Phương pháp thứ hai là chuẩn bị các bộ tản nhiệt hoặc màng kim cương thông qua CVD, đạt được sự tản nhiệt tiếp xúc trực tiếp cho các nguồn nhiệt chip. Tuy nhiên, bất kể hình thức nào, nó phải đối mặt với thách thức cấu trúc của "Warpage quá mức sau khi loại bỏ chất nền". Đặc biệt trong trường hợp độ dày màng dưới 100 m và kích thước lớn hơn 2 inch, các yếu tố như tích lũy căng thẳng bên trong và tăng trưởng giao diện không đồng đều có thể gây ra biến dạng đáng kể, không thể đáp ứng các tiêu chuẩn đóng gói báo chí nóng của quá trình liên kết. Bọ cộc này từ lâu đã hạn chế việc thúc đẩy các vật liệu kim cương quy mô lớn trong các ứng dụng phân tán nhiệt liên kết trực tiếp chip. Mặc dù hiệu suất tản nhiệt của chúng vượt trội hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống như đồng và nhôm nitride, nhưng chúng rất khó để có được việc áp dụng khối lượng công nghiệp.

 

Các nhà nghiên cứu đã giảm thành công sự căng thẳng và sự biến dạng của các màng mỏng tự hỗ trợ kim cương mà không làm mất chất lượng màng bằng cách tối ưu hóa quá trình lắng đọng hơi, cải thiện quá trình loại bỏ chất nền và xử lý nhiệt. Phim kim cương 4- inch do nhóm điều chế có độ dày dưới 100 m, một chiếc warpage được điều khiển trong vòng 10 μ m, và có thể tuân thủ chắc chắn các chất nền thủy tinh trong không có điều kiện lực bên ngoài, sở hữu khả năng tự hấp phụ. Hiệu suất này không chỉ đáp ứng các yêu cầu của Warpage của liên kết tản nhiệt chip, mà còn cung cấp khả năng kết hợp màng kim cương vào các quy trình đóng gói tiên tiến như tích hợp không đồng nhất và xếp chồng 3D. Bước đột phá công nghệ này có ý nghĩa sâu sắc trong chuỗi công nghiệp. Chuỗi công nghiệp của vật liệu quản lý nhiệt kim cương có thể được chia thành bốn liên kết: tổng hợp vật liệu, kiểm soát hình thái và định hướng tinh thể, xử lý cấu trúc và cắt chính xác, và tích hợp với chip hoặc cấu trúc bao bì. Trong số đó, trong giai đoạn đầu tiên, ngành công nghiệp Trung Quốc về cơ bản đã hình thành các cơ sở hỗ trợ địa phương từ các nguồn khí có độ tinh khiết cao (như khí mê-tan và hydro) cho thiết bị phản ứng (hệ thống CVD) và một số doanh nghiệp đã đạt được sự tăng trưởng thương mại của phim kim cương khu vực lớn; Bước thứ hai là đạt được cốt lõi của chất lượng phim và kiểm soát căng thẳng, trong đó thành tích của Viện Vật liệu Ningbo lấp đầy khoảng cách công nghệ chính; Hai phần sau - gia công chính xác và tích hợp bao bì - vẫn được một vài doanh nghiệp nước ngoài sở hữu với khả năng quy trình đầy đủ, trở thành điểm kiểm tra chính cho các tài liệu trong nước để vào đầu công nghiệp.

 

Đặc biệt trong lĩnh vực bao bì chip, liên kết trực tiếp các màng kim cương với bề mặt của các chip thiết bị năng lượng (như bộ khuếch đại công suất GaN) có thể làm giảm đáng kể khả năng chịu nhiệt của giao diện và ổn định nhiệt độ Junction của chip, do đó kéo dài tuổi thọ và cải thiện độ ổn định tần số. Trong quá khứ, do độ nhám bề mặt cao và độ cong của kim cương, các nhà sản xuất đóng gói thường sử dụng phương pháp gắn lớp trung gian đồng để đạt được sự phân tán nhiệt gián tiếp, nhưng điều này đã hy sinh rất nhiều độ dẫn nhiệt tuyệt vời của kim cương. Do đó, đạt được cấu trúc tự hỗ trợ với căng thẳng bề mặt thấp và độ phẳng cao là điều kiện tiên quyết để đạt được sự khớp nối nhiệt trực tiếp giữa chip và kim cương. Nếu quá trình này có thể được tiêu chuẩn hóa, nó sẽ trở thành điểm khởi đầu cho các giải pháp quản lý nhiệt để chuyển từ xác minh thử nghiệm sang các hệ thống đóng gói cấp wafer.

 

Từ quan điểm của các ngành công nghiệp hạ nguồn, các ứng dụng chính của vật liệu quản lý nhiệt kim cương được tập trung vào giao tiếp tần số cao (như các trạm cơ sở 5G, radar sóng milimet), điện tử năng lượng cao (biến tần xe năng lượng mới, mô-đun năng lượng công nghiệp) và điện toán cao cấp (chip AI trung tâm dữ liệu). Đặc biệt là trong GPU máy chủ AI với công suất thiết kế nhiệt chip (TDP) vượt quá 400W, hiệu quả phân tán nhiệt của hệ thống làm mát không khí truyền thống có xu hướng đạt đến giới hạn của nó, với hơn 40% mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống được sử dụng để quản lý nhiệt, trở thành yếu tố phi tuyến quan trọng hạn chế tăng thêm năng lượng điện toán. Vật liệu tản nhiệt kim cương, do tính dẫn nhiệt cao và tính chất cách nhiệt, dự kiến ​​sẽ được định vị trực tiếp trong khu vực nguồn nhiệt của chip, thay thế các cấu trúc composite đồng than chì truyền thống. Theo hướng này, các công ty quốc tế như Coherent và Element Six đã liên tiếp phát hành các sản phẩm của bộ tản nhiệt Diamond, nhắm mục tiêu các nhà sản xuất chip cao cấp như NVIDIA và AMD, trong khi Trung Quốc vẫn đang trong giai đoạn của các mẫu kỹ thuật và các ứng dụng nhắm mục tiêu trong một số lĩnh vực quân sự.

 

Từ quan điểm của xu hướng phát triển ngành, các vật liệu phân tán nhiệt kim cương đang bước vào giai đoạn chuyển đổi từ "hiệu suất phòng thí nghiệm" sang "công nghệ kỹ thuật". Các yếu tố hạn chế ứng dụng tỷ lệ của nó không còn tập trung vào độ dẫn nhiệt, nhưng đã chuyển sang các vấn đề về quy trình sản xuất như khớp mở rộng nhiệt, ổn định liên kết giao diện và khả năng thích ứng xử lý cơ học. Do đó, trước tiên, bất cứ ai có thể vượt qua vòng kín công nghiệp của "bao bì thiết bị vật liệu" đều có thể đạt được lợi thế di chuyển đầu tiên trong đường đua quản lý nhiệt kim cương. Hiện tại, các tổ chức nghiên cứu bao gồm Tập đoàn Công nghệ Điện tử Trung Quốc (CETC) 38, Đại học Nanchang và Viện Vật liệu Hàng không Bắc Kinh đang thúc đẩy tuyến đường xử lý phim kim cương tự hỗ trợ. Đồng thời, một số công ty thiết bị bán dẫn cũng đã bắt đầu khám phá sự phát triển của việc cắt laser và thiết bị mài siêu âm phù hợp để xử lý tấm kim cương.

 

Nói tóm lại, bước đột phá công nghệ này không chỉ lấp đầy khoảng trống trong lĩnh vực vật liệu quản lý nhiệt chính ở Trung Quốc, mà còn cung cấp một điểm hỗ trợ kỹ thuật cho lớp vật liệu cốt lõi của chuỗi ngành tiêu tán nhiệt hiệu suất cao của Trung Quốc. Việc chuyển đổi vật liệu kim cương từ giá trị lý thuyết của "độ dẫn nhiệt cực cao" sang quá trình thực tế của "sản xuất hàng loạt, đóng gói và liên kết" đang trở thành trọng tâm của sự cạnh tranh trong thế hệ mới của công nghệ quản lý nhiệt chip. Trong tương lai, việc lặp lại liên tục xung quanh các giao diện được tiêu chuẩn hóa, độ tin cậy của quá trình và khả năng tương thích bao bì sẽ xác định đường dẫn chính để Diamond thực sự chuyển từ "vật liệu sao" sang "vật liệu công nghiệp".