Применение алмазного порошка для отвода тепла от высокопроизводительных чипов
На фоне стремительного роста вычислительных мощностей систем искусственного интеллекта и усложнения задач по отводу тепла от высокопроизводительных чипов, алмаз — материал с исключительной теплопроводностью — становится перспективным полупроводниковым материалом.
Высочайшая теплопроводность алмаза обусловлена его уникальной микроструктурой, в которой перенос тепла осуществляется преимущественно за счет колебаний кристаллической решетки. Чрезвычайно высокая энергия связей C–C и малая масса атомов углерода ограничивают колебания атомов пределами области минимума потенциальной энергии; это свойство обеспечивает материалу исключительно высокую теплопроводность. В то же время, поскольку все валентные электроны в алмазе участвуют в образовании связей и не могут свободно перемещаться, материал служит отличным электроизолятором. Такое сочетание высокой теплопроводности и электроизоляционных свойств значительно расширяет сферы его потенциального применения.
Алмазные порошки микронного или нанометрового диапазона, характеризующиеся узким распределением частиц по размерам, благоприятной морфологией, высокой чистотой и минимальным количеством внутренних дефектов, обладают выдающейся теплопроводностью. Их можно вводить в состав композитов с металлической матрицей для использования в качестве радиаторов или теплоотводящих подложек, либо применять как функциональные наполнители при производстве теплопроводящих материалов, таких как термопасты, клеи и теплопроводящие прокладки.
**Получение алмазного микропорошка**
В настоящее время основным промышленным методом получения алмазного микропорошка является статический синтез при высоких температурах и давлениях (HTHP) с последующим измельчением. В качестве исходного сырья в этом процессе используются крупнозернистые монокристаллические частицы алмаза, полученные методом статического HTHP-синтеза, которые затем подвергаются измельчению, очистке и классификации.
**(1) Подготовка алмазного сырья**
В методе HTHP в качестве основных исходных материалов используются порошок графита и порошок металлического катализатора. В условиях высокой температуры (как правило, 1300–1700°C) и высокого давления (5–7 ГПа) катализатор способствует фазовому переходу, превращая источник углерода (графит) в алмаз.
**(2) Измельчение и придание формы**
Процессы измельчения и формирования частиц напрямую влияют на их морфологию и выход продукта целевого размера. Как правило, существует два основных метода уменьшения размеров относительно крупного материала до микронного или субмикронного уровня: механическое ударное измельчение и струйное измельчение.
(3) Классификация
Классификация частиц по размерам является важнейшим этапом производства алмазного микропорошка, непосредственно влияющим как на эффективность производства, так и на качество конечного продукта. В настоящее время многие производители используют сочетание методов естественного осаждения и центрифугирования для получения полного ассортимента марок микропорошков — от тонкодисперсных до крупнозернистых.
Применение в области теплопроводности (I): Оптимальное решение для теплопроводящих наполнителей
Теплопроводящие наполнители распределяются в полимерной матрице (например, на основе силикона или эпоксидной смолы), образуя композитный материал. Этот материал заполняет микроскопические зазоры между тепловыделяющими компонентами и радиаторами, снижая тем самым контактное тепловое сопротивление и создавая непрерывную сеть теплопроводности для быстрого отвода накопленного тепла. Будучи основным сырьем для материалов теплового интерфейса (включая термопасты, термопрокладки и заливочные компаунды), эти наполнители напрямую определяют эффективность и стабильность системы терморегулирования.
Применение в области теплопроводности (II): Высокоэффективные композитные материалы «алмаз-металл»
Опираясь на превосходные физические свойства алмаза — такие как высокая теплопроводность, низкий коэффициент теплового расширения и малая плотность, — исследователи в последние годы разрабатывают композитные материалы на металлической основе с использованием частиц алмаза в качестве армирующего компонента. Отличные теплофизические характеристики композитов «алмаз-металл» открывают широкие перспективы их применения в сфере корпусирования электронных компонентов.
По мере роста потребностей в эффективном отводе тепла спрос на алмазный порошок будет существенно увеличиваться. Благодаря постоянному совершенствованию технологий модификации поверхности и методов обработки композитов существующие ограничения, связанные с взаимодействием на границе раздела фаз, будут постепенно преодолены. Это позволит алмазному порошку стать важнейшим материалом для высокоэффективных систем терморегулирования в полупроводниковой промышленности.