Więcej niż miedź: jak diament o wysokiej przewodności cieplnej umożliwia szybsze i bardziej niezawodne chłodzenie półprzewodników

Od kilkudziesięciu lat czysta miedź jest stosowana jako podłoże do rozpraszania ciepła w półprzewodnikach, a jej przewodność cieplna wynosi około 400 W/m·K. W obecnej epoce, w której procesory graficzne AI przekraczają 1000 W, a moduły mocy SiC/GaN mają gęstość strumienia ciepła ponad 1000 W/cm², osiągnięto fizyczną granicę miedzi: nie można szybko rozprzestrzeniać się gorących punktów, temperatura złącza chipa wzrasta, powodując zmniejszenie częstotliwości, a wzrost temperatury o 10 stopni prowadzi do spadku niezawodności o 50%. Opakowanie również wypacza się i odłącza z powodu niedopasowania współczynnika CTE (16,7 ppm/stopień) z krzemem (2,6)/SiC.
Syntetyczny diament o wysokiej przewodności cieplnej(polikrystaliczny CVD 1500–2000 W/m·K, monokryształ IIa 2200–2400 W/m·K) jest 5–5,5 razy większy niż miedź, przy współczynniku CTE wynoszącym zaledwie 1–2 ppm/stopień, osiągając prawie zerowe niedopasowanie termiczne z chipem; jest także izolatorem elektrycznym, umożliwiającym bezpośrednie mocowanie gołych matryc, wytrzymuje temperaturę 1200 stopni i gęstość 3,5 g/cm3 (miedź 9). Diamentowy radiator CVD obniża temperaturę złącza GPU o 15–25 stopni, uwalniając 10–22% mocy obliczeniowej; kompozyt diamentowo-miedziany (diament/Cu, 40–60% udziału objętościowego) osiąga 600–1000 W/m·K, równoważąc koszty i łatwość produkcji, i stał się główną siłą produkcyjną serwerów AI i inwerterów SiC-klasy samochodowej.

Decyzja dotycząca zamówienia: nie chodzi o to, „czy wymienić, czy nie”, ale o „jak skonfigurować”.
Flagowy GaN HPC/RF: monokrystaliczny/wielo-kryształowy radiator diamentowy CVD + metalizacja Ti/Pt/Au, rozpraszanie ciepła w pobliżu-złącza;
Główne serwery AI/moc-motoryzacyjna: podłoże kompozytowe diament/Cu, współczynnik CTE dostosowany do SiC;
Komory i nośniki próżniowe: miedź wolframowa, miedź molibdenowa do opakowań elektronicznych, stop tytanu do uchwytów płytek i elementów pieców próżniowych.
Pułapki zdecentralizowanych zamówień są dość oczywiste: fabryka półprzewodników mocy zakupiła oddzielnie diament CVD, podłoże z miedzi wolframowej i nośnik TC4. Harmonogramy dostaw całej trójki były oddalone od siebie o 2 tygodnie. Metalizacja na powierzchni diamentu nie spełniała norm, co skutkowało powstawaniem pustek w lutowaniu AuSn i cała partia została złomowana. Inna fabryka zakupiła czystą miedź IHS i zlecała zewnętrznemu kompozytowi diamentowemu. Opór cieplny interfejsu przekroczył normę, a w chipach nadal występowała redukcja częstotliwości.