Miks on teemandil nii erakordne soojusjuhtivus?

Teemantjahutusmaterjalid: suure võimsusega elektroonika soojushalduse tulevik

Kuna elektroonikaseadmed muutuvad üha väiksemaks, kiiremaks ja võimsamaks, on soojushaldusest saanud üks suurimaid väljakutseid, millega tänapäeva tööstusharud silmitsi seisavad. Alates suure võimsusega pooljuhtidest ja 5G sidesüsteemidest kuni elektriautode, lennunduselektroonika ja tehisintellekti arvutuskeskusteni tekitab suurenev võimsustihedus märkimisväärset soojust, mis võib oluliselt mõjutada seadme jõudlust ja töökindlust.

Traditsioonilised soojusjuhtivusmaterjalid on järk-järgult oma piire saavutamas. Seetõttu otsivad teadlased ja tootjad aktiivselt järgmise põlvkonna soojust hajutavaid materjale, millel on parem soojusjuhtivus, väike soojuspaisumine ja kerge kaal.

Kõigist teadaolevatest materjalidest paistab teemant silma kui üks paljulubavamaid soojushalduse lahendusi.

Miks on efektiivne soojuse hajumine nii oluline?

Pooljuhtide tehnoloogia pidev areng on toonud kaasa suurema integreerimistiheduse ja suurenenud soojusvoo elektroonikaseadmetes. Liigne kuumus võib põhjustada:

• Seadme vähenenud efektiivsus
• Lühenenud komponentide eluiga
• Termiline pinge ja konstruktsioonikahjustused
• Suurem süsteemi rikete määr

Nende probleemide lahendamiseks kasutavad tööstusharud tavaliselt selliseid lahendusi nagu:

• Grafiidilehed
• Grafeenimaterjalid
• Termilise liidese materjalid (TIM-id)
• Soojustorud
• Aurukambrid
• Täiustatud metallmaatrikskomposiidid

Kuigi need tehnoloogiad pakuvad teatud eeliseid, on paljudel neist raskusi järgmise põlvkonna suure võimsusega elektroonika kasvavate nõudmiste rahuldamisega, eriti kui on vaja üliõhukesi konstruktsioone, kergeid konstruktsioone ja äärmuslikke soojuse eemaldamise võimalusi.

See on tekitanud märkimisväärset huvi täiustatud süsinikupõhiste termiliste materjalide, eriti teemandi vastu.

Teemant: Üks Maa kõige soojusjuhtivamaid materjale

Teemanti peetakse laialdaselt kõige kõvemaks teadaolevaks looduslikuks materjaliks, kuid selle soojusjuhtivus on sama tähelepanuväärne.

Tegelikult võib kvaliteetne teemant omada umbes viis korda kõrgemat soojusjuhtivust kui vask, mis teeb sellest ühe tõhusama saadaoleva soojusjuhtivuse materjali.

Erinevalt metallidest, mis kannavad soojust peamiselt vabade elektronide kaudu, kannab teemant soojust läbi võre vibratsioonide, mida nimetatakse foononiteks.

Tänu oma ainulaadsele kristallstruktuurile pakub teemant:

• Äärmiselt kõrge soojusjuhtivus
• Väga madal soojuspaisumistegur
• Suurepärane elektriisolatsioon
• Kõrge dielektriline tugevus
• Suurepärane keemiline stabiilsus
• Erakordne mehaaniline tugevus

Need omadused muudavad teemandi ideaalseks materjaliks täiustatud soojuse hajutite, pooljuhtsubstraatide, lasersüsteemide ja suure võimsusega elektroonikapakendite rakenduste jaoks.

Erinevat tüüpi teemantide soojusjuhtivus

Kõigil teemantidel ei ole sama soojusjuhtivust. Soojusjuhtivust mõjutavad tugevalt kristalli puhtus, defektide tihedus, lisandite kontsentratsioon ja kristallstruktuur.

Teemante liigitatakse tavaliselt mitmesse kategooriasse, sealhulgas:

• Ia tüüp
• Tüüp Ib
• IIa tüüp
• IIb tüüp

Nende hulgas peetakse IIa tüüpi teemanti kõige puhtamaks vormiks, mis sisaldab äärmiselt madalaid lämmastiku- ja boorilisandite kontsentratsioone. Seetõttu on sellel kõrgeim soojusjuhtivus.

Tüüpilised soojusjuhtivuse väärtused hõlmavad järgmist:

Teemanti tüüp	Soojusjuhtivus toatemperatuuril (W/m·K)
Ia tüüp	600–1000
IIa tüüp	2000–2200
Kõrge puhtusastmega CVD teemant	Kuni 2200+

Soojushalduse rakenduste jaoks on kõige sagedamini kasutatavad materjalid IIa tüüpi monokristalliline teemant ja kvaliteetne CVD polükristalliline teemant.

Kuidas teemant soojust juhib?

Saladus peitub teemandi aatomistruktuuris.

Teemandil on kuubiline kristallvõre, milles iga süsinikuaatom on seotud nelja naabersüsinikuaatomiga tugevate sp³ kovalentsete sidemete kaudu, moodustades erakordselt stabiilse tetraeedrilise struktuuri.

Kuna kõik valentselektronid on nendes kovalentsetes sidemetes tihedalt seotud, ei sisalda teemant praktiliselt vabu elektrone ja toimib seetõttu elektriisolaatorina.

Teemantides on soojusülekanne aga erakordselt tõhus.

Soojusülekanne läbi foononite

Teemandis kannavad soojusenergiat peamiselt foononid – aatomite kvantiseeritud vibratsioonid kristallvõres.

Soojusülekande efektiivsus sõltub foononi vabast teepikkusest, mis tähistab vahemaad, mille foononid saavad läbida enne hajumist.

Soojusjuhtivust vähendavate tegurite hulka kuuluvad:

• Lämmastiku lisandid
• Metallilise katalüsaatori jäägid
• Kristalldefektid
• Nihestused
• Teravilja piirid
• Mikropraod
• Võre moonutused

Kui foononid nende ebatäiuslikkustega kokku põrkuvad, katkeb nende liikumine, vähendades soojusülekande efektiivsust.

Seega, mida puhtam ja struktuurilt täiuslikum on teemantkristall, seda suurem on selle soojusjuhtivus. See seletab, miks IIa tüüpi teemantidel ja kvaliteetsetel CVD-teemantidel on teiste teemantklassidega võrreldes parem soojusjuhtivus.

Teemantsoojuse levikute eelised

Võrreldes traditsiooniliste soojusjuhtimismaterjalidega pakuvad teemantkütteseadmed mitmeid olulisi eeliseid:

Ülikõrge soojusjuhtivus

Kiire soojuse eemaldamine aitab säilitada stabiilset töötemperatuuri isegi äärmuslike võimsustiheduste korral.

Madal soojuspaisumine

Teemandi soojuspaisumistegur on ligikaudu 0,8 × 10⁻⁶/K, mis on paljude pooljuhtmaterjalidega sarnane ja minimeerib termilist pinget.

Elektriisolatsioon

Erinevalt vasest või alumiiniumist pakub teemant suurepärast soojusjuhtivust, kahjustamata elektriisolatsiooni.

Kerge disain

Diamond pakub õhemaid ja kergemaid soojushalduslahendusi kompaktsetele elektroonikaseadmetele.

Pikaajaline töökindlus

Teemandi keemiline inertsus ja erakordsed mehaanilised omadused aitavad kaasa suurepärasele vastupidavusele nõudlikes töötingimustes.

Kõrge soojusjuhtivusega teemandi rakendused

Tootmistehnoloogiate pideva arenguga leiavad teemantsoojust hajutavad materjalid üha enam kasutust järgmistes valdkondades:

Pooljuhtseadised

• GaN-jõuelektroonika
• SiC-toitemoodulid
• Kõrgsageduslikud raadiosageduslikud seadmed
• Täiustatud pakenditehnoloogiad

Lasersüsteemid

• Suure võimsusega laserdioodid
• Tahkislaserid
• Tööstuslikud laserseadmed

Lennunduselektroonika

• Satelliitsidesüsteemid
• Radari moodulid
• Kõrgtemperatuuriline elektroonika

Tehisintellekt ja andmekeskused

• Tehisintellekti kiirendid
• Suure jõudlusega protsessorid
• Täiustatud arvutusplatvormid

Optilised ja fotoonilised seadmed

• Täppisoptilised komponendid
• Suure võimsusega LED-süsteemid
• Fotoonilised integraallülitused

Tööstuseksperdid peavad teemanti laialdaselt üheks paljulubavamaks järgmise põlvkonna soojushaldusmaterjaliks täiustatud elektroonika ja pooljuhtide tehnoloogiate jaoks.

Teemant-termilise haldustehnoloogia tulevik

Kuna pooljuhtide, telekommunikatsiooni, autotööstuse ja lennunduse tööstuses suureneb võimsustihedus jätkuvalt, suureneb nõudlus täiustatud termiliste lahenduste järele ainult.

Tänu HPHT ja CVD teemantide tootmistehnoloogiate pidevale täiustamisele on kõrge soojusjuhtivusega teemantmaterjalid muutumas kättesaadavamaks ja kulutõhusamaks kui kunagi varem.

Pooljuhtide pakenditest tehisintellekti arvutus- ja lennundussüsteemideni – teemant on muutumas nišimaterjalist järgmise põlvkonna elektroonika kriitiliseks võimaldajaks.

Selle võrratu soojusjuhtivuse, elektriisolatsiooni, madala soojuspaisumise ja mehaanilise vastupidavuse kombinatsioon positsioneerib teemandi üheks väärtuslikumaks soojusjuhtimismaterjaliks tulevikus.