ความก้าวหน้าอีกประการหนึ่งของการประยุกต์ใช้เพชรในสาขาเซมิคอนดักเตอร์

ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์ ขนาดคุณลักษณะของวงจรรวมจะถูกย่อให้เล็กลงอย่างต่อเนื่อง และความหนาแน่นของการบูรณาการยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ฟลักซ์ความร้อนในระดับอุปกรณ์-เพิ่มขึ้นอย่างมาก ปัจจุบัน ความหนาแน่นฟลักซ์ความร้อนของชิปอิเล็กทรอนิกส์สูงถึงประมาณ 1,000 วัตต์/ซม.² โดยมีจุดร้อนในท้องถิ่นเกินหลายพันวัตต์/ซม.² หากไม่สามารถกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ อุณหภูมิของอุปกรณ์จะสูงขึ้น ประสิทธิภาพจะลดลง ความเสถียรและความน่าเชื่อถือจะลดลง และในกรณีร้ายแรง อาจเกิดความล้มเหลวหรือความร้อนไหม้ได้

 

แผงระบายความร้อนแบบช่องไมโครได้กลายเป็นเทคโนโลยียอดนิยมเนื่องจากมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูง มีโครงสร้างที่กะทัดรัด และง่ายต่อการรวมระบบ อย่างไรก็ตาม พวกเขาเผชิญกับความท้าทาย เช่น แรงดันตกที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากโครงร่างทางเรขาคณิต และความยากลำบากในการรักษาคุณสมบัติของพื้นผิวที่อุณหภูมิสูง เพชรที่มีค่าการนำความร้อนสูงมาก (1000-2200 W/(m・K)) มีจุดหลอมเหลวสูง และมีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้า พื้นผิว AlN ที่มีข้อได้เปรียบในด้านการนำความร้อนและสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน และฟิล์มบาง Pt ที่มีความสามารถในการทำความร้อนและวัดอุณหภูมิแบบคู่ ถือเป็นวัสดุหลักในการปรับปรุงระบบทำความเย็นแบบช่องสัญญาณขนาดเล็ก เป้าหมายคือการพัฒนาโซลูชันการระบายความร้อนแบบบูรณาการที่ใช้วัสดุต่างกันโดยอิงจาก CVD-DMC เพื่อจัดการกับความท้าทายของการจัดการความร้อนฟลักซ์ความร้อนสูง

 

Hu Dinghua จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีหนานจิง ในความร่วมมือกับทีมงานของ Quanfeng Zhou ที่ Microsystem และ Terahertz Research Center ของ China Academy of Engineering Physics เมื่อเร็วๆ นี้ ได้เสนอโซลูชันการสะสมไอสารเคมี (CVD) เพชรไมโครช่อง-ที่ใช้การทำความเย็นแบบผสมผสานวัสดุต่างชนิดกัน (DMC) ด้วยการใช้การจำลองและวิธีการทดลองร่วมกัน พวกเขาตรวจสอบประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนอย่างเป็นระบบภายใต้สภาวะฟลักซ์ความร้อนสูงพิเศษ- งานวิจัยชื่อ "การศึกษาเชิงทดลองและเชิงตัวเลขของการระบายความร้อนด้วยไมโครช่องเพชร CVD สำหรับวัสดุผสมที่มีฟลักซ์ความร้อนสูง- ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร International Journal of Heat and Mass Transfer

 

การศึกษาได้บูรณาการไมโครช่องเพชร CVD เข้ากับซับสเตรตอะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) ซึ่งมีการสร้างโครงสร้างซี่โครงที่มีรูปทรงต่างๆ กันโดยใช้เครื่องจักรไมโครแมชชีนเลเซอร์เฟมโตวินาที การศึกษามุ่งเน้นไปที่การเปรียบเทียบคุณลักษณะการถ่ายเทความร้อนและการไหลของซี่โครงรูปทรงสี่เหลี่ยม วงกลม และเพชร- เพื่อกำหนดพารามิเตอร์การออกแบบที่เหมาะสมที่สุด การศึกษาครั้งแรกเปรียบเทียบประสิทธิภาพการกระจายความร้อนของไมโครช่องเพชรและซิลิคอนที่มีโครงสร้างเดียวกัน ที่ฟลักซ์ความร้อน 1100 วัตต์/ซม.² อุณหภูมิสูงสุดของไดมอนด์ไมโครแชนเนลต่ำกว่าอุณหภูมิของช่องซิลิคอนประมาณ 30 องศา ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการนำความร้อนและการแพร่กระจายที่เหนือกว่า การเปรียบเทียบโครงสร้างซี่โครงสามแบบแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างซี่โครงรูปทรงเพชร-ให้ประสิทธิภาพการจัดการระบายความร้อนที่เหนือกว่า ที่อัตราการไหล 144 มล./นาที ตัวอย่างซี่โครงรูปเพชร-มีอุณหภูมิสูงสุดประมาณ 66 องศา ซึ่งต่ำกว่าอุณหภูมิของซี่โครงทรงกลมและตรง โครงสร้างรูปทรงเพชร-ขัดขวางชั้นขอบเขตได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งเสริมการผสมของของไหล และปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนในท้องถิ่น แต่ก็ส่งผลให้แรงดันตกคร่อมสูงขึ้นเล็กน้อยเช่นกัน ดัชนีการประเมินประสิทธิภาพ (PEC) แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างรูปทรงเพชร-มีความสมดุลที่เหมาะสมระหว่างการถ่ายเทความร้อนและการใช้พลังงาน

 

ผลการวิจัยนำเสนอกลยุทธ์การทำความเย็นแบบใหม่สำหรับบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ฟลักซ์ความร้อน-สูง- อุปกรณ์ไฟฟ้า และชิป AI คุณสมบัติการนำความร้อนและฉนวนไฟฟ้าสูงของไมโครช่องเพชรทำให้มีแนวโน้มการใช้งานในอนาคตในศูนย์ข้อมูล โมดูลความถี่วิทยุ และบรรจุภัณฑ์ 3 มิติ