Un altre avenç en l'aplicació del diamant al camp dels semiconductors

Amb l'avenç de la tecnologia d'intel·ligència artificial, les mides de les característiques dels circuits integrats es miniaturitzen contínuament i la densitat d'integració continua augmentant, donant lloc a un augment significatiu del flux de calor al nivell del dispositiu-. Actualment, la densitat de flux de calor dels xips electrònics ha arribat a aproximadament 1000 W/cm², amb punts calents locals que superen els milers de W/cm². Si aquesta calor no es pot dissipar eficaçment, les temperatures del dispositiu augmentaran, el rendiment disminuirà, l'estabilitat i la fiabilitat es veuran compromeses i, en casos extrems, es produirà una fallada o un desgast tèrmic.

 

Els dissipadors de calor de microcanal s'han convertit en una tecnologia popular a causa de la seva alta eficiència tèrmica, estructura compacta i facilitat d'integració del sistema. Tanmateix, s'enfronten a reptes com l'augment de la caiguda de pressió a causa de la seva configuració geomètrica i la dificultat per mantenir les propietats superficials a altes temperatures. Diamond, amb la seva conductivitat tèrmica extremadament alta (1000-2200 W/(m·K)), punt de fusió elevat i propietats d'aïllament elèctric, els substrats d'AlN amb els seus avantatges en conductivitat tèrmica i coeficient d'expansió tèrmica, i les pel·lícules primes de Pt amb la seva doble calefacció i capacitat de mesura de temperatura, són materials clau per optimitzar els sistemes de refrigeració de microcanals. L'objectiu és desenvolupar una solució de refrigeració integrada de materials heterogenis basada en CVD-DMC per abordar els reptes de la gestió tèrmica d'alt flux de calor.

 

Hu Dinghua de la Universitat de Ciència i Tecnologia de Nanjing, en col·laboració amb l'equip de Quanfeng Zhou al Centre de Recerca de Microsistemes i Terahertz de l'Acadèmia Xina d'Enginyeria Física, va proposar recentment una solució de refrigeració integrada de material heterogeni (DMC) basada en microcanals de diamants per deposició de vapor químic (CVD). Mitjançant una combinació de mètodes de simulació i experimentals, van investigar sistemàticament el seu rendiment de transferència de calor en condicions de flux de calor ultra-elevats. La investigació, titulada "Estudi experimental i numèric de la refrigeració de microcanals de diamant CVD per a matrius integrades de materials heterogenis d'alt flux de calor-", es va publicar a l'International Journal of Heat and Mass Transfer.

 

L'estudi va integrar microcanals de diamant CVD amb un substrat de nitrur d'alumini (AlN), sobre el qual es van fabricar estructures de costelles de geometries diferents mitjançant micromecanitzat làser de femtosegon. L'estudi es va centrar a comparar les característiques de transferència de calor i flux de costelles rectangulars, circulars i en forma de diamant-per determinar els paràmetres de disseny òptims. L'estudi va comparar primer el rendiment de dissipació de calor dels microcanals de diamant i silici amb la mateixa estructura. A un flux de calor de 1100 W/cm², la temperatura màxima del microcanal de diamant era aproximadament 30 graus inferior a la del canal de silici, demostrant capacitats superiors de conducció i difusió de calor. La comparació de tres estructures de costella demostra que l'estructura de costella-en forma de diamant ofereix un rendiment de gestió tèrmica superior. Amb un cabal de 144 ml/min, la mostra de costella{10}}con forma de diamant va aconseguir una temperatura màxima d'aproximadament 66 graus, inferior a la de les costelles circulars i rectes. L'estructura en forma de diamant-pertorba eficaçment la capa límit, afavoreix la barreja de fluids i millora el coeficient de transferència de calor local; tanmateix, també es tradueix en una caiguda de pressió una mica més alta. L'índex d'avaluació del rendiment (PEC) mostra que l'estructura-en forma de diamant aconsegueix un equilibri òptim entre la transferència de calor i el consum d'energia.

 

Els resultats de la investigació proporcionen noves estratègies de refrigeració per a envasos electrònics d'alt-calor-, dispositius d'alimentació i xips d'IA. L'alta conductivitat tèrmica i les propietats d'aïllament elèctric dels microcanals de diamant els fan prometedors per a aplicacions futures en centres de dades, mòduls de radiofreqüència i envasos 3D.