פריצת דרך נוספת ביישום היהלום בתחום המוליכים למחצה

עם התקדמות טכנולוגיית הבינה המלאכותית, גדלי תכונת המעגלים המשולבים ממוזערים ללא הרף וצפיפות האינטגרציה ממשיכה לעלות, מה שמוביל לעלייה משמעותית בשטף החום ברמת המכשיר.- נכון לעכשיו, צפיפות שטף החום של שבבים אלקטרוניים הגיעה לכ-1000 W/cm², כאשר נקודות חמות מקומיות עולות על אלפי W/cm². אם לא ניתן לפזר את החום הזה ביעילות, הטמפרטורות של המכשיר יעלו, הביצועים יירדו, היציבות והאמינות ייפגעו, ובמקרים קיצוניים יתרחשו כשל או שחיקה תרמית.

 

גופי קירור מיקרו-ערוציים הפכו לטכנולוגיה פופולרית בשל היעילות התרמית הגבוהה, המבנה הקומפקטי וקלות האינטגרציה של המערכת. עם זאת, הם מתמודדים עם אתגרים כמו ירידת לחץ מוגברת בשל התצורה הגיאומטרית שלהם וקושי לשמור על תכונות פני השטח בטמפרטורות גבוהות. יהלום, עם מוליכות תרמית גבוהה במיוחד (1000-2200 W/(m・K)), נקודת התכה גבוהה ותכונות בידוד חשמלי, מצעי AlN עם היתרונות שלהם במוליכות תרמית ומקדם התפשטות תרמית, ו-Pt סרטים דקים עם יכולות החימום הכפולות שלהם ומדידות טמפרטורה למיטוב חומרים מיקרו-ערוציים. המטרה היא לפתח פתרון קירור משולב בחומר הטרוגני המבוסס על CVD-DMCs כדי להתמודד עם האתגרים של ניהול תרמי של שטף חום גבוה.

 

Hu Dinghua מאוניברסיטת נאנג'ינג למדע וטכנולוגיה, בשיתוף הצוות של Quanfeng Zhou במרכז המחקר של Microsystem ו-Terahertz של האקדמיה הסינית לפיזיקה הנדסית, הציע לאחרונה פתרון מיקרו-ערוץ יהלום (CVD) המבוסס על קירור משולב של חומרים הטרוגניים (DMC). תוך שימוש בשילוב של שיטות סימולציה וניסויים, הם חקרו באופן שיטתי את ביצועי העברת החום שלו בתנאי שטף חום גבוה במיוחד.- המחקר, שכותרתו "מחקר ניסיוני ומספרי של קירור מיקרו-ערוצי של יהלום CVD עבור חומר הטרוגני בשטף חום גבוה-" פורסם ב-International Journal of Heat and Mass Transfer.

 

המחקר שילב מיקרו-ערוצים של יהלום CVD עם מצע אלומיניום ניטריד (AlN), שעליו יוצרו מבני צלעות בגיאומטריות שונות באמצעות מיקרו-עיבוד לייזר פמט-שניות. המחקר התמקד בהשוואת מאפייני העברת החום והזרימה של צלעות בצורת -מלבנית, עגולה ויהלום כדי לקבוע את פרמטרי העיצוב האופטימליים. המחקר השווה לראשונה את ביצועי פיזור החום של מיקרו-תעלות יהלומים וסיליקון עם אותו מבנה. בשטף חום של 1100 W/cm², הטמפרטורה המקסימלית של מיקרו-תעלת היהלום הייתה נמוכה בכ-30 מעלות מזו של תעלת הסיליקון, מה שמדגים יכולות הולכת חום ודיפוזיה מעולות. השוואה של שלושה מבני צלעות מוכיחה שמבנה הצלעות בצורת-יהלום מציע ביצועי ניהול תרמיים מעולים. בקצב זרימה של 144 מ"ל לדקה, דגימת הצלעות בצורת-יהלום השיגה טמפרטורה מקסימלית של כ-66 מעלות, נמוכה מזו של הצלעות העגולות והישרות. המבנה בצורת היהלום{13} משבש למעשה את שכבת הגבול, מקדם ערבוב נוזלים ומשפר את מקדם העברת החום המקומי; עם זאת, זה גם גורם לירידת לחץ מעט גבוהה יותר. מדד הערכת הביצועים (PEC) מראה שהמבנה בצורת היהלום- משיג איזון אופטימלי בין העברת חום וצריכת אנרגיה.

 

תוצאות המחקר מספקות אסטרטגיות קירור חדשות עבור אריזה אלקטרונית-בחום- גבוה, התקני חשמל ושבבי בינה מלאכותית. המוליכות התרמית הגבוהה ותכונות הבידוד החשמלי של מיקרו-ערוצי יהלום הופכים אותם למבטיחים עבור יישומים עתידיים במרכזי נתונים, מודולים בתדר רדיו ואריזות תלת מימדיות.