Otro avance en la aplicación del diamante en el campo de los semiconductores

Con el avance de la tecnología de inteligencia artificial, los tamaños de las funciones de los circuitos integrados se miniaturizan continuamente y la densidad de integración continúa aumentando, lo que genera un aumento significativo en el flujo de calor a nivel del dispositivo. Actualmente, la densidad de flujo de calor de los chips electrónicos ha alcanzado aproximadamente 1000 W/cm², con puntos calientes locales que superan los miles de W/cm². Si este calor no se puede disipar eficazmente, la temperatura del dispositivo aumentará, el rendimiento disminuirá, la estabilidad y la confiabilidad se verán comprometidas y, en casos extremos, se producirán fallas o quemaduras térmicas.

 

Los disipadores de calor de microcanales se han convertido en una tecnología popular debido a su alta eficiencia térmica, estructura compacta y facilidad de integración del sistema. Sin embargo, enfrentan desafíos como una mayor caída de presión debido a su configuración geométrica y la dificultad para mantener las propiedades de la superficie a altas temperaturas. El diamante, con su conductividad térmica extremadamente alta (1000-2200 W/(m・K)), alto punto de fusión y propiedades de aislamiento eléctrico, los sustratos de AlN con sus ventajas en conductividad térmica y coeficiente de expansión térmica, y las películas delgadas de Pt con sus capacidades duales de calentamiento y medición de temperatura, son materiales clave para optimizar los sistemas de enfriamiento de microcanales. El objetivo es desarrollar una solución de refrigeración integrada de materiales heterogéneos basada en CVD-DMC para abordar los desafíos de la gestión térmica del alto flujo de calor.

 

Hu Dinghua de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjing, en colaboración con el equipo de Quanfeng Zhou en el Centro de Investigación de Microsistemas y Terahercios de la Academia de Ingeniería Física de China, propuso recientemente una solución de enfriamiento integrado de material heterogéneo (DMC) basada en microcanales de diamante-de deposición química de vapor (CVD). Utilizando una combinación de simulación y métodos experimentales, investigaron sistemáticamente su rendimiento de transferencia de calor en condiciones de flujo de calor ultra-alto. La investigación, titulada "Estudio experimental y numérico del enfriamiento de microcanales de diamante CVD para matrices integradas de material heterogéneo de alto flujo de calor-", se publicó en el International Journal of Heat and Mass Transfer.

 

El estudio integró microcanales de diamante CVD con un sustrato de nitruro de aluminio (AlN), sobre el cual se fabricaron estructuras de nervaduras de diferentes geometrías mediante micromecanizado con láser de femtosegundo. El estudio se centró en comparar las características de flujo y transferencia de calor de nervaduras rectangulares, circulares y en forma de diamante-para determinar los parámetros de diseño óptimos. El estudio comparó primero el rendimiento de disipación de calor de los microcanales de diamante y silicio con la misma estructura. Con un flujo de calor de 1100 W/cm², la temperatura máxima del microcanal de diamante fue aproximadamente 30 grados más baja que la del canal de silicio, lo que demuestra capacidades superiores de conducción y difusión del calor. La comparación de tres estructuras de nervaduras demuestra que la estructura de nervaduras en forma de diamante-ofrece un rendimiento de gestión térmica superior. A un caudal de 144 ml/min, la muestra de costilla en forma de diamante-alcanzó una temperatura máxima de aproximadamente 66 grados, más baja que la de las costillas circulares y rectas. La estructura en forma de diamante- altera eficazmente la capa límite, promueve la mezcla de fluidos y mejora el coeficiente de transferencia de calor local; sin embargo, también resulta en una caída de presión ligeramente mayor. El índice de evaluación del rendimiento (PEC) muestra que la estructura en forma de diamante-alcanza un equilibrio óptimo entre la transferencia de calor y el consumo de energía.

 

Los resultados de la investigación proporcionan nuevas estrategias de refrigeración para envases electrónicos, dispositivos de energía y chips de inteligencia artificial de alto-flujo de calor-. La alta conductividad térmica y las propiedades de aislamiento eléctrico de los microcanales de diamante los hacen prometedores para aplicaciones futuras en centros de datos, módulos de radiofrecuencia y embalajes 3D.