طفرة أخرى في تطبيق الماس في مجال أشباه الموصلات

مع تقدم تكنولوجيا الذكاء الاصطناعي، يتم تصغير أحجام ميزات الدوائر المتكاملة بشكل مستمر وتستمر كثافة التكامل في الزيادة، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في التدفق الحراري على مستوى الجهاز-. حاليًا، وصلت كثافة التدفق الحراري للرقائق الإلكترونية إلى حوالي 1000 واط/سم²، مع تجاوز النقاط الساخنة المحلية آلاف واط/سم². إذا لم يكن من الممكن تبديد هذه الحرارة بشكل فعال، فسترتفع درجات حرارة الجهاز، وسيتراجع الأداء، وسيتعرض الاستقرار والموثوقية للخطر، وفي الحالات القصوى، سيحدث فشل أو احتراق حراري.

 

أصبحت المشتتات الحرارية ذات القنوات الدقيقة تقنية شائعة نظرًا لكفاءتها الحرارية العالية وبنيتها المدمجة وسهولة تكامل النظام. ومع ذلك، فإنها تواجه تحديات مثل زيادة انخفاض الضغط بسبب تكوينها الهندسي وصعوبة الحفاظ على خصائص السطح عند درجات حرارة عالية. الماس، مع موصليته الحرارية العالية للغاية (1000-2200 واط/(م・ك)) ونقطة الانصهار العالية وخصائص العزل الكهربائي، وركائز AlN بمزاياها في التوصيل الحراري ومعامل التمدد الحراري، والأغشية الرقيقة Pt مع إمكانيات التسخين المزدوج وقياس درجة الحرارة، هي مواد أساسية لتحسين أنظمة تبريد القنوات الدقيقة. الهدف هو تطوير حل تبريد متكامل للمواد غير المتجانسة يعتمد على CVD-DMCs لمواجهة تحديات الإدارة الحرارية للتدفق الحراري العالي.

 

اقترح Hu Dinghua من جامعة Nanjing للعلوم والتكنولوجيا، بالتعاون مع فريق Quanfeng Zhou في مركز Microsystem and Terahertz للأبحاث التابع للأكاديمية الصينية للفيزياء الهندسية، مؤخرًا حل تبريد متكامل (DMC) يعتمد على ترسيب البخار الكيميائي (CVD) لقنوات الماس الدقيقة-. وباستخدام مجموعة من أساليب المحاكاة والتجريب، قاموا بشكل منهجي بدراسة أداء نقل الحرارة في ظل ظروف تدفق الحرارة العالية جدًا-. تم نشر البحث، الذي يحمل عنوان "دراسة تجريبية وعددية لتبريد القنوات الدقيقة الماسية CVD للمواد غير المتجانسة ذات التدفق الحراري العالي-، في المجلة الدولية لنقل الحرارة والكتلة.

 

قامت الدراسة بدمج القنوات الدقيقة للألماس CVD مع ركيزة من نيتريد الألومنيوم (AlN)، حيث تم تصنيع هياكل ضلعية ذات أشكال هندسية مختلفة باستخدام المعالجة الدقيقة بالليزر الفيمتو ثانية. ركزت الدراسة على مقارنة خصائص انتقال الحرارة والتدفق للأضلاع المستطيلة والدائرية والماسية - لتحديد معايير التصميم الأمثل. قارنت الدراسة أولاً أداء تبديد الحرارة للقنوات الدقيقة من الماس والسيليكون بنفس البنية. عند تدفق حراري قدره 1100 واط/سم²، كانت درجة الحرارة القصوى للقناة الدقيقة الماسية أقل بحوالي 30 درجة من قناة السيليكون، مما يدل على التوصيل الحراري الفائق وقدرات الانتشار. توضح مقارنة ثلاثة هياكل مضلعة أن البنية المضلعة ذات الشكل الماسي-توفر أداءً فائقًا في الإدارة الحرارية. بمعدل تدفق قدره 144 مل/دقيقة، حققت عينة الأضلاع ذات الشكل الماسي درجة حرارة قصوى تبلغ حوالي 66 درجة، وهي أقل من درجة حرارة الأضلاع الدائرية والمستقيمة. يعمل الهيكل ذو الشكل الماسي- على تعطيل الطبقة الحدودية بشكل فعال، ويعزز خلط السوائل، ويحسن معامل نقل الحرارة المحلي؛ ومع ذلك، فإنه يؤدي أيضًا إلى انخفاض أعلى قليلاً في الضغط. يوضح مؤشر تقييم الأداء (PEC) أن الهيكل ذو الشكل الماسي-يحقق التوازن الأمثل بين نقل الحرارة واستهلاك الطاقة.

 

توفر نتائج البحث إستراتيجيات تبريد جديدة للتغليف الإلكتروني-التدفق الحراري-العالي، وأجهزة الطاقة، ورقائق الذكاء الاصطناعي. إن الموصلية الحرارية العالية وخصائص العزل الكهربائي للقنوات الدقيقة الماسية تجعلها واعدة للتطبيقات المستقبلية في مراكز البيانات ووحدات التردد الراديوي والتعبئة ثلاثية الأبعاد.