Kodėl deimantas turi tokį išskirtinį šilumos laidumą?

Deimantinės šilumos kriauklės medžiagos: didelės galios elektronikos šilumos valdymo ateitis

Elektroniniams prietaisams tampant vis mažesniems, greitesniems ir galingesniems, šilumos valdymas tapo vienu didžiausių iššūkių, su kuriuo susiduria šiuolaikinės pramonės šakos. Nuo didelės galios puslaidininkių ir 5G ryšio sistemų iki elektrinių transporto priemonių, aviacijos ir kosmoso elektronikos bei dirbtinio intelekto skaičiavimo centrų – didėjantis galios tankis sukuria didelį šilumos kiekį, kuris gali smarkiai paveikti įrenginio našumą ir patikimumą.

Tradicinės šilumos valdymo medžiagos pamažu pasiekia savo ribas. Todėl tyrėjai ir gamintojai aktyviai ieško naujos kartos šilumos išsklaidymo medžiagų, pasižyminčių geresniu šilumos laidumu, mažu šiluminiu plėtimusi ir lengvomis savybėmis.

Iš visų žinomų medžiagų deimantas išsiskiria kaip vienas perspektyviausių šilumos valdymo sprendimų.

Kodėl efektyvus šilumos išsklaidymas yra toks svarbus?

Nuolatinis puslaidininkių technologijos tobulėjimas lėmė didesnį integravimo tankį ir padidėjusį šilumos srautą elektroniniuose prietaisuose. Per didelis karštis gali sukelti:

• Sumažintas įrenginio efektyvumas
• Sutrumpintas komponentų tarnavimo laikas
• Terminis įtempis ir konstrukciniai pažeidimai
• Padidėjęs sistemos gedimų dažnis

Siekdamos išspręsti šiuos iššūkius, pramonės šakos dažniausiai naudoja tokius sprendimus kaip:

• Grafito lakštai
• Grafeno medžiagos
• Terminės sąsajos medžiagos (TIM)
• Šilumos vamzdžiai
• Garų kameros
• Pažangūs metalo matricos kompozitai

Nors šios technologijos suteikia tam tikrų pranašumų, daugeliui jų sunku patenkinti augančius naujos kartos didelės galios elektronikos poreikius, ypač kai reikalingi itin ploni dizainai, lengvos konstrukcijos ir itin geros šilumos šalinimo galimybės.

Tai paskatino didelį susidomėjimą pažangiomis anglies pagrindu pagamintomis šiluminėmis medžiagomis, ypač deimantais.

Deimantas: viena iš labiausiai šilumą praleidžiančių medžiagų Žemėje

Deimantas yra plačiai pripažintas kiečiausia žinoma natūrali medžiaga, tačiau jo šilumos laidumas yra ne mažiau įspūdingas.

Iš tiesų, aukštos kokybės deimantas gali pasižymėti maždaug penkis kartus didesniu šilumos laidumu nei varis, todėl tai yra viena efektyviausių šilumą laidžių medžiagų.

Skirtingai nuo metalų, kurie daugiausia perduoda šilumą per laisvuosius elektronus, deimantas perduoda šilumą per grotelių vibracijas, vadinamas fononais.

Dėl unikalios kristalinės struktūros deimantas pasižymi šiomis savybėmis:

• Ypač didelis šilumos laidumas
• Labai mažas šiluminio plėtimosi koeficientas
• Puiki elektros izoliacija
• Didelis dielektrinis stiprumas
• Išskirtinis cheminis stabilumas
• Išskirtinis mechaninis stiprumas

Dėl šių savybių deimantas yra ideali medžiaga pažangiems šilumos skleidėjams, puslaidininkiniams substratams, lazerinėms sistemoms ir didelės galios elektroninių pakuočių taikymams.

Įvairių deimantų tipų šiluminis laidumas

Ne visi deimantai pasižymi vienodomis šiluminėmis savybėmis. Šilumos laidumui didelę įtaką daro kristalo grynumas, defektų tankis, priemaišų koncentracija ir kristalinė struktūra.

Deimantai paprastai skirstomi į kelias kategorijas, įskaitant:

• Ia tipas
• Ib tipas
• IIa tipas
• IIb tipas

Iš jų IIa tipo deimantas laikomas gryniausia forma, turinčia itin mažą azoto ir boro priemaišų koncentraciją. Dėl to jis pasižymi didžiausiu šilumos laidumu.

Tipinės šilumos laidumo vertės apima:

Deimanto tipas	Šilumos laidumas kambario temperatūroje (W/m·K)
Ia tipas	600–1000
IIa tipas	2000–2200
Didelio grynumo CVD deimantas	Iki 2200+

Šilumos valdymo reikmėms dažniausiai naudojamos IIa tipo monokristaliniai deimantai ir aukštos kokybės CVD polikristaliniai deimantai.

Kaip deimantas praleidžia šilumą?

Paslaptis slypi deimanto atominėje struktūroje.

Deimantas turi kubinę kristalinę gardelę, kurioje kiekvienas anglies atomas yra sujungtas su keturiais gretimais anglies atomais stipriomis sp³ kovalentinėmis jungtimis, sudarydamas itin stabilią tetraedrinę struktūrą.

Kadangi visi valentiniai elektronai yra tvirtai sujungti šiais kovalentiniais ryšiais, deimantas praktiškai neturi laisvųjų elektronų ir todėl veikia kaip elektros izoliatorius.

Tačiau šilumos perdavimas deimantuose yra nepaprastai efektyvus.

Šilumos perdavimas per fononus

Deimantuose šiluminę energiją daugiausia perneša fononai – kvantinės atomų vibracijos kristalinėje gardelėje.

Šilumos perdavimo efektyvumas priklauso nuo fononų vidutinio laisvojo kelio, kuris parodo atstumą, kurį fononai gali nukeliauti prieš išsisklaidydami.

Šilumos laidumą mažinantys veiksniai yra šie:

• Azoto priemaišos
• Metalinių katalizatorių likučiai
• Kristalų defektai
• Išnirimai
• Grūdų ribos
• Mikroįtrūkimai
• Grotelių iškraipymai

Kai fononai susiduria su šiais trūkumais, jų judėjimas nutrūksta, todėl sumažėja šilumos perdavimo efektyvumas.

Todėl kuo grynesnis ir struktūriškai tobulesnis deimanto kristalas, tuo didesnis jo šilumos laidumas. Tai paaiškina, kodėl IIa tipo deimantai ir aukštos kokybės CVD deimantai pasižymi geresnėmis šiluminėmis savybėmis, palyginti su kitomis deimantų rūšimis.

Deimantinių šilumos paskirstytuvų privalumai

Palyginti su tradicinėmis šilumos valdymo medžiagomis, deimantiniai šilumos paskirstytojai turi keletą reikšmingų privalumų:

Itin didelis šilumos laidumas

Greitas šilumos šalinimas padeda palaikyti stabilią darbinę temperatūrą net ir esant dideliam galios tankiui.

Mažas šiluminis plėtimasis

Deimanto šiluminio plėtimosi koeficientas yra maždaug 0,8 × 10⁻⁶/K, jis labai artimas daugeliui puslaidininkinių medžiagų ir sumažina šiluminį įtempį.

Elektros izoliacija

Skirtingai nuo vario ar aliuminio, deimantas pasižymi puikiu šilumos laidumu nepakenkdamas elektros izoliacijai.

Lengvas dizainas

„Diamond“ siūlo plonesnius ir lengvesnius šilumos valdymo sprendimus kompaktiškiems elektroniniams įrenginiams.

Ilgalaikis patikimumas

Deimanto cheminis inertiškumas ir išskirtinės mechaninės savybės prisideda prie didesnio patvarumo sudėtingomis eksploatavimo sąlygomis.

Didelio šilumos laidumo deimantų panaudojimas

Tobulėjant gamybos technologijoms, deimantinės šilumos išsklaidymo medžiagos vis dažniau naudojamos:

Puslaidininkiniai įtaisai

• GaN galios elektronika
• SiC galios moduliai
• Aukšto dažnio radijo dažnių įrenginiai
• Pažangios pakavimo technologijos

Lazerinės sistemos

• Didelės galios lazeriniai diodai
• Kietojo kūno lazeriai
• Pramoninė lazerinė įranga

Aviacijos ir kosmoso elektronika

• Palydovinio ryšio sistemos
• Radarų moduliai
• Aukštos temperatūros elektronika

Dirbtinis intelektas ir duomenų centrai

• Dirbtinio intelekto greitintuvai
• Didelio našumo procesoriai
• Pažangios skaičiavimo platformos

Optiniai ir fotoniniai įtaisai

• Tikslūs optiniai komponentai
• Didelės galios LED sistemos
• Fotoniniai integriniai grandynai

Pramonės ekspertai deimantą plačiai laiko viena perspektyviausių naujos kartos šilumos valdymo medžiagų pažangioms elektronikos ir puslaidininkių technologijoms.

Deimantinės šilumos valdymo technologijos ateitis

Kadangi puslaidininkių, telekomunikacijų, automobilių ir aviacijos bei kosmoso pramonės šakose galios tankis toliau didėja, pažangių šiluminių sprendimų paklausa tik didės.

Nuolat tobulinant HPHT ir CVD deimantų gamybos technologijas, didelio šiluminio laidumo deimantinės medžiagos tampa prieinamesnės ir ekonomiškesnės nei bet kada anksčiau.

Nuo puslaidininkių pakuočių iki dirbtinio intelekto skaičiavimo ir aviacijos bei kosmoso sistemų – deimantas iš nišinės medžiagos tampa svarbiu naujos kartos elektronikos elementu.

Dėl neprilygstamo šilumos laidumo, elektros izoliacijos, mažo šiluminio plėtimosi ir mechaninio patvarumo derinio deimantas tampa viena vertingiausių šilumos valdymo medžiagų ateičiai.