Beyond Copper: Ako vysoká tepelná vodivosť diamantu umožňuje rýchlejšie a spoľahlivejšie chladenie polovodičov

Čistá meď sa používa ako polovodičový substrát na odvod tepla už niekoľko desaťročí s tepelnou vodivosťou približne 400 W/m·K. V súčasnej dobe, kedy AI GPU presahujú 1000 W a SiC/GaN výkonové moduly majú hustotu tepelného toku viac ako 1000 W/cm², bola dosiahnutá fyzikálna hranica medi: hotspoty sa nedajú rýchlo rozložiť, teplota spojov čipov sa zvyšuje, čím sa spúšťa spoľahlivosť zníženia frekvencie a zvýšenie teploty o 10 stupňov vedie k 50 % zníženiu. Obal sa tiež deformuje a oddeľuje v dôsledku nesúladu v CTE (16,7 ppm/stupeň) s kremíkom (2,6)/SiC.
Syntetický diamant s vysokou tepelnou vodivosťou(polykryštalický CVD 1500–2000 W/m·K, monokryštál IIa 2200–2400 W/m·K) je 5–5,5-krát vyšší ako meď, s CTE iba 1–2 ppm/stupeň, čím sa dosahuje takmer nulový tepelný nesúlad s čipom; je to tiež elektrický izolátor, ktorý umožňuje priame pripevnenie holých matríc a vydrží 1200 stupňov a hustotu 3,5 g/cm³ (meď 9). Diamantový chladič CVD znižuje teplotu GPU prechodu o 15–25 stupňov, čím uvoľní 10–22 % výpočtového výkonu; diamantový-meď (Diamant/Cu, 40 – 60 % objemový podiel) dosahuje 600 – 1 000 W/m·K, čím vyvažuje náklady a vyrobiteľnosť, a stal sa hlavnou výrobnou silou pre servery AI a invertory SiC{21}}pre automobilový priemysel.

Rozhodnutie o obstarávaní: Nejde o to „či nahradiť alebo nie“, ale „ako nakonfigurovať“.
Vlajková loď HPC/RF GaN: monokryštálový/multi{0}}kryštálový CVD diamantový chladič + pokovovanie Ti/Pt/Au, odvod tepla v blízkosti-spoju;
Bežné servery AI/automobilový-výkon: Diamantový/Cu kompozitný substrát, CTE upravený tak, aby zodpovedal SiC;
Vákuové komory a nosiče: Volfrámová meď, molybdénová meď pre elektronické obaly, titánová zliatina pre držiaky plátkov a komponenty vákuových pecí.
Úskalia decentralizovaného obstarávania sú celkom zrejmé: Továreň na výrobu výkonových polovodičov samostatne kúpila CVD diamant, volfrámový medený substrát a nosič TC4. Harmonogramy dodávok troch boli od seba vzdialené 2 týždne. Pokovovanie na povrchu diamantu nespĺňalo normy, výsledkom čoho boli dutiny pri spájkovaní AuSn a celá dávka bola zošrotovaná. Ďalšia továreň kúpila čistú meď IHS a externe zadala diamantový kompozit. Tepelný odpor rozhrania prekročil štandard a čipy stále zaznamenali zníženie frekvencie.