Une autre avancée dans l'application du diamant dans le domaine des semi-conducteurs

Avec les progrès de la technologie de l'intelligence artificielle, la taille des fonctionnalités des circuits intégrés est continuellement miniaturisée et la densité d'intégration continue d'augmenter, ce qui entraîne une augmentation significative du flux thermique au niveau des appareils. Actuellement, la densité du flux thermique des puces électroniques atteint environ 1 000 W/cm², avec des points chauds locaux dépassant des milliers de W/cm². Si cette chaleur ne peut pas être dissipée efficacement, la température de l'appareil augmentera, les performances diminueront, la stabilité et la fiabilité seront compromises et, dans les cas extrêmes, une panne ou un grillage thermique se produira.

 

Les dissipateurs thermiques à microcanaux sont devenus une technologie populaire en raison de leur efficacité thermique élevée, de leur structure compacte et de leur facilité d'intégration du système. Cependant, ils sont confrontés à des défis tels qu’une perte de charge accrue en raison de leur configuration géométrique et des difficultés à maintenir les propriétés de surface à haute température. Le diamant, avec sa conductivité thermique extrêmement élevée (1 000-2 200 W/(m・K)), son point de fusion élevé et ses propriétés d'isolation électrique, les substrats AlN avec leurs avantages en termes de conductivité thermique et de coefficient de dilatation thermique, et les films minces de platine avec leurs doubles capacités de chauffage et de mesure de température, sont des matériaux clés pour l'optimisation des systèmes de refroidissement à microcanaux. L’objectif est de développer une solution de refroidissement intégrée à matériaux hétérogènes basée sur des CVD-DMC pour relever les défis de la gestion thermique des flux thermiques élevés.

 

Hu Dinghua de l'Université des sciences et technologies de Nanjing, en collaboration avec l'équipe de Quanfeng Zhou du Centre de recherche sur les microsystèmes et les térahertz de l'Académie chinoise d'ingénierie physique, a récemment proposé une solution de refroidissement intégré (DMC) à base de matériaux hétérogènes à base de microcanaux de diamant par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). En utilisant une combinaison de méthodes de simulation et expérimentales, ils ont systématiquement étudié ses performances de transfert de chaleur dans des conditions de flux thermique ultra-élevé. La recherche, intitulée « Étude expérimentale et numérique du refroidissement par microcanaux de diamant CVD pour des matrices intégrées à des matériaux hétérogènes à flux thermique élevé -, a été publiée dans l'International Journal of Heat and Mass Transfer.

 

L'étude a intégré des microcanaux de diamant CVD avec un substrat en nitrure d'aluminium (AlN), sur lequel des structures de nervures de différentes géométries ont été fabriquées à l'aide d'un micro-usinage laser femtoseconde. L'étude s'est concentrée sur la comparaison des caractéristiques de transfert de chaleur et d'écoulement des nervures rectangulaires, circulaires et en forme de losange-pour déterminer les paramètres de conception optimaux. L’étude a d’abord comparé les performances de dissipation thermique de microcanaux en diamant et en silicium présentant la même structure. À un flux thermique de 1 100 W/cm², la température maximale du microcanal en diamant était environ 30 degrés inférieure à celle du canal en silicium, démontrant des capacités supérieures de conduction et de diffusion de la chaleur. La comparaison de trois structures de nervures démontre que la structure de nervures en forme de losange-offre des performances de gestion thermique supérieures. À un débit de 144 ml/min, l'échantillon de côtes en forme de losange-a atteint une température maximale d'environ 66 degrés, inférieure à celle des côtes circulaires et droites. La structure en forme de diamant-perturbe efficacement la couche limite, favorise le mélange des fluides et améliore le coefficient de transfert de chaleur local ; cependant, cela entraîne également une chute de pression légèrement plus élevée. L'indice d'évaluation des performances (PEC) montre que la structure en forme de losange atteint un équilibre optimal entre le transfert de chaleur et la consommation d'énergie.

 

Les résultats de la recherche proposent de nouvelles stratégies de refroidissement pour les emballages électroniques à haut -flux thermique-, les dispositifs d'alimentation et les puces IA. La conductivité thermique élevée et les propriétés d'isolation électrique des microcanaux en diamant les rendent prometteurs pour de futures applications dans les centres de données, les modules radiofréquences et les emballages 3D.