Неліктен гауһар тастың мұндай ерекше жылу өткізгіштігі бар?

Алмаз жылу қабылдағыш материалдары: жоғары қуатты электроника үшін жылу басқарудың болашағы

Электрондық құрылғылар кішірейе, жылдамдата және қуатты бола берген сайын, жылуды басқару қазіргі заманғы салалардың ең үлкен қиындықтарының біріне айналды. Жоғары қуатты жартылай өткізгіштер мен 5G байланыс жүйелерінен бастап электр көліктеріне, аэроғарыштық электроникаға және жасанды интеллект есептеу орталықтарына дейін қуат тығыздығының артуы құрылғының өнімділігі мен сенімділігіне айтарлықтай әсер ететін айтарлықтай жылу шығарады.

Дәстүрлі жылуды басқару материалдары біртіндеп өз шегіне жетуде. Нәтижесінде, зерттеушілер мен өндірушілер жоғары жылу өткізгіштігі, төмен жылу кеңеюі және жеңіл сипаттамалары бар келесі буын жылу тарату материалдарын белсенді түрде іздеуде.

Барлық белгілі материалдардың ішінде алмас жылуды басқарудың ең перспективалы шешімдерінің бірі болып табылады.

Неліктен тиімді жылу тарату соншалықты маңызды?

Жартылай өткізгіш технологиясының үздіксіз дамуы электронды құрылғылардағы интеграция тығыздығының жоғарылауына және жылу ағынының артуына әкелді. Шамадан тыс қызу мыналарды тудыруы мүмкін:

• Құрылғы тиімділігінің төмендеуі
• Компоненттің қызмет ету мерзімінің қысқаруы
• Термиялық кернеу және құрылымдық зақымданулар
• Жүйенің істен шығу деңгейінің жоғарылауы

Бұл қиындықтарды шешу үшін салалар әдетте келесі шешімдерді пайдаланады:

• Графит парақтары
• Графен материалдары
• Жылу интерфейсінің материалдары (TIM)
• Жылу құбырлары
• Бу камералары
• Жетілдірілген металл матрицалық композиттер

Бұл технологиялар белгілі бір артықшылықтарды ұсынғанымен, көпшілігі келесі буын жоғары қуатты электрониканың өсіп келе жатқан сұраныстарын қанағаттандыру үшін күресуде, әсіресе ультра жұқа конструкциялар, жеңіл құрылымдар және өте жоғары жылу кетіру мүмкіндіктері қажет болған жағдайда.

Бұл көміртекті негіздегі озық термиялық материалдарға, әсіресе алмасқа айтарлықтай қызығушылық тудырды.

Алмаз: Жердегі ең жылу өткізгіш материалдардың бірі

Гауһар ең қатты табиғи материал ретінде кеңінен танымал, бірақ оның жылу өткізгіштігі де таңқаларлық.

Шын мәнінде, жоғары сапалы алмас жылу өткізгіштік мәндерін мысқа қарағанда шамамен бес есе жоғары көрсете алады, бұл оны ең тиімді жылу өткізгіш материалдардың біріне айналдырады.

Негізінен жылуды бос электрондар арқылы тасымалдайтын металдардан айырмашылығы, алмас жылуды фонондар деп аталатын торлы тербелістер арқылы тасымалдайды.

Алмаз өзінің ерекше кристалды құрылымының арқасында келесі мүмкіндіктерді ұсынады:

• Өте жоғары жылу өткізгіштік
• Өте төмен жылулық кеңею коэффициенті
• Тамаша электр оқшаулағышы
• Жоғары диэлектрлік беріктік
• Керемет химиялық тұрақтылық
• Ерекше механикалық беріктік

Бұл қасиеттер алмасты озық жылу таратқыштар, жартылай өткізгіш субстраттар, лазерлік жүйелер және жоғары қуатты электронды қаптама қолданбалары үшін тамаша материал етеді.

Әртүрлі алмас түрлерінің жылу өткізгіштігі

Барлық алмастар бірдей жылу өткізгіштікке ие емес. Жылу өткізгіштікке кристалдардың тазалығы, ақау тығыздығы, қоспалардың концентрациясы және кристалдық құрылым қатты әсер етеді.

Алмаз әдетте бірнеше санатқа бөлінеді, соның ішінде:

• Ia типі
• Ib түрі
• IIa типі
• IIb түрі

Олардың ішінде IIa типті алмас ең таза түрі болып саналады, құрамында азот пен бор қоспаларының өте төмен концентрациясы бар. Демек, ол ең жоғары жылу өткізгіштікке ие.

Жылу өткізгіштіктің типтік мәндеріне мыналар жатады:

Алмаз түрі	Бөлме температурасындағы жылу өткізгіштік (Вт/м·К)
Ia типі	600–1000
IIa типі	2000–2200 жылдар
Жоғары тазалықтағы CVD гауһары	2200+ дейін

Жылулық басқару қолданбалары үшін IIa типті монокристалды алмас және жоғары сапалы CVD поликристалды алмас ең көп қолданылатын материалдар болып табылады.

Алмаз жылуды қалай өткізеді?

Құпия алмаздың атомдық құрылымында жатыр.

Алмаз кубтық кристалдық торға ие, онда әрбір көміртек атомы төрт көршілес көміртек атомымен күшті sp³ коваленттік байланыстар арқылы байланысып, ерекше тұрақты тетраэдрлік құрылымды құрайды.

Барлық валенттілік электрондары осы ковалентті байланыстармен тығыз байланысқандықтан, алмаста бос электрондар іс жүзінде жоқ және сондықтан электр оқшаулағышы ретінде әрекет етеді.

Дегенмен, алмастағы жылу тасымалы өте тиімді.

Фонондар арқылы жылу алмасу

Алмазда жылу энергиясы негізінен фонондармен - кристалдық тордағы атомдардың квантталған тербелістерімен тасымалданады.

Жылу беру тиімділігі фононның орташа еркін жолына байланысты, ол фонондардың шашырағанға дейін жүріп өте алатын арақашықтығын көрсетеді.

Жылу өткізгіштігін төмендететін факторларға мыналар жатады:

• Азот қоспалары
• Металл катализатор қалдықтары
• Кристалл ақаулары
• Шығулар
• Дән шекаралары
• Микрожарықтар
• Торлы бұрмаланулар

Фонондар осы кемшіліктермен соқтығысқан кезде, олардың қозғалысы үзіліп, жылу беру тиімділігі төмендейді.

Сондықтан, алмас кристалы неғұрлым таза және құрылымдық жағынан жетілдірілген болса, оның жылу өткізгіштігі соғұрлым жоғары болады. Бұл IIa типті алмас пен жоғары сапалы CVD алмасының басқа алмас түрлерімен салыстырғанда жоғары жылу өнімділігін көрсететінін түсіндіреді.

Алмаз жылу таратқыштарының артықшылықтары

Дәстүрлі жылу басқару материалдарымен салыстырғанда, гауһар жылу таратқыштар бірнеше маңызды артықшылықтарға ие:

Өте жоғары жылу өткізгіштік

Жылдам жылуды кетіру тіпті қуаттың жоғары тығыздығында да тұрақты жұмыс температурасын сақтауға көмектеседі.

Төмен жылулық кеңею

Даймондтың жылулық кеңею коэффициенті шамамен 0,8 × 10⁻⁶/K құрайды, бұл көптеген жартылай өткізгіш материалдарға өте ұқсас және жылулық кернеуді азайтады.

Электр оқшаулағышы

Мыс немесе алюминийден айырмашылығы, алмас электр оқшаулауын бұзбай тамаша жылу өткізгіштігін қамтамасыз етеді.

Жеңіл дизайн

Diamond ықшам электронды құрылғыларға арналған жұқа және жеңіл жылу басқару шешімдерін ұсынады.

Ұзақ мерзімді сенімділік

Алмаздың химиялық инерттілігі және ерекше механикалық қасиеттері қиын жұмыс жағдайларында жоғары беріктікке ықпал етеді.

Жоғары жылу өткізгіштік алмасын қолдану

Өндіріс технологиялары дамыған сайын, гауһар жылу тарату материалдары келесі салаларда көбірек қолданылуда:

Жартылай өткізгіш құрылғылар

• GaN қуат электроникасы
• SiC қуат модульдері
• Жоғары жиілікті радиожиілікті құрылғылар
• Жетілдірілген қаптама технологиялары

Лазерлік жүйелер

• Жоғары қуатты лазерлік диодтар
• Қатты денелі лазерлер
• Өнеркәсіптік лазерлік жабдықтар

Аэроғарыштық электроника

• Спутниктік байланыс жүйелері
• Радар модульдері
• Жоғары температуралы электроника

Жасанды интеллект және деректер орталықтары

• Жасанды интеллект үдеткіштері
• Жоғары өнімді процессорлар
• Жетілдірілген есептеу платформалары

Оптикалық және фотондық құрылғылар

• Дәл оптикалық компоненттер
• Жоғары қуатты жарықдиодты жүйелер
• Фотондық интегралды схемалар

Сала мамандары алмасты озық электроника мен жартылай өткізгіш технологиялар үшін ең перспективалы келесі буын жылу басқару материалдарының бірі ретінде кеңінен қарастырады.

Алмаз термиялық басқару технологиясының болашағы

Жартылай өткізгіштер, телекоммуникациялар, автомобиль және аэроғарыш салаларындағы қуат тығыздығы артып келе жатқандықтан, озық жылу шешімдеріне деген сұраныс тек артады.

HPHT және CVD алмас өндіру технологияларын үнемі жетілдірумен бірге, жоғары жылу өткізгіштікке ие алмас материалдары бұрынғыдан да қолжетімді және үнемді бола бастады.

Жартылай өткізгіш қаптамадан бастап, жасанды интеллект есептеу және аэроғарыш жүйелеріне дейін, алмаз тар материалдан келесі буын электроникасының маңызды қозғаушы күшіне айналуда.

Жылу өткізгіштіктің, электр оқшаулауының, төмен жылу кеңеюінің және механикалық беріктігінің теңдессіз үйлесімі гауһарды болашақ үшін ең құнды жылу басқару материалдарының бірі ретінде көрсетеді.