Зошто дијамантот има толку исклучителна топлинска спроводливост?

Материјали за дијамантски ладилници: Иднината на термичкото управување за електроника со висока моќност

Бидејќи електронските уреди продолжуваат да стануваат помали, побрзи и помоќни, термичкото управување стана еден од најголемите предизвици со кои се соочуваат модерните индустрии. Од полупроводници со голема моќност и 5G комуникациски системи до електрични возила, воздухопловна електроника и центри за вештачка интелигенција, зголемувањето на густината на моќност генерира значителна топлина што може значително да влијае на перформансите и сигурноста на уредите.

Традиционалните материјали за термичко управување постепено ги достигнуваат своите граници. Како резултат на тоа, истражувачите и производителите активно бараат материјали за дисипација на топлина од следната генерација со супериорна топлинска спроводливост, ниска термичка експанзија и лесни карактеристики.

Меѓу сите познати материјали, дијамантот се издвојува како едно од најперспективните решенија за термичко управување.

Зошто е толку важно ефикасното одведување на топлината?

Континуираниот напредок на полупроводничката технологија доведе до повисоки густини на интеграција и зголемен топлински проток во рамките на електронските уреди. Прекумерната топлина може да предизвика:

• Намалена ефикасност на уредот
• Скратен век на траење на компонентите
• Термички стрес и структурни оштетувања
• Зголемени стапки на системски дефекти

За да се справат со овие предизвици, индустриите најчесто користат решенија како што се:

• Графитни листови
• Графенски материјали
• Термички интерфејсни материјали (TIM)
• Топлински цевки
• Парни комори
• Напредни композити од метална матрица

Иако овие технологии нудат одредени предности, многумина се борат да ги задоволат растечките барања за електроника со висока моќност од следната генерација, особено таму каде што се потребни ултратенки дизајни, лесни структури и екстремни можности за отстранување на топлина.

Ова предизвика значителен интерес за напредни термички материјали базирани на јаглерод, особено дијамант.

Дијамант: Еден од најтермички спроводливите материјали на Земјата

Дијамантот е широко признат како најтврдиот познат природен материјал, но неговата топлинска спроводливост е подеднакво извонредна.

Всушност, висококвалитетниот дијамант може да покаже вредности на топлинска спроводливост приближно пет пати повисоки од бакарот, што го прави еден од најефикасните достапни материјали за спроводливост на топлина.

За разлика од металите, кои првенствено пренесуваат топлина преку слободни електрони, дијамантот пренесува топлина преку вибрации на решетката познати како фонони.

Поради својата единствена кристална структура, дијамантот нуди:

• Исклучително висока топлинска спроводливост
• Многу низок коефициент на термичка експанзија
• Одлична електрична изолација
• Висока диелектрична јачина
• Извонредна хемиска стабилност
• Исклучителна механичка цврстина

Овие својства го прават дијамантот идеален материјал за напредни распрскувачи на топлина, полупроводнички подлоги, ласерски системи и апликации за електронско пакување со голема моќност.

Топлинска спроводливост на различни видови дијаманти

Не сите дијаманти поседуваат исти термички перформанси. Топлинската спроводливост е силно под влијание на кристалната чистота, густината на дефектите, концентрацијата на нечистотии и кристалната структура.

Дијамантот генерално се класифицира во неколку категории, вклучувајќи:

• Тип Ia
• Тип Ib
• Тип IIa
• Тип IIб

Меѓу нив, дијамантот од тип IIa се смета за најчиста форма, кој содржи екстремно ниски концентрации на нечистотии од азот и бор. Следствено, тој покажува највисока топлинска спроводливост.

Типични вредности на топлинска спроводливост вклучуваат:

Тип на дијамант	Топлинска спроводливост на собна температура (W/m·K)
Тип Ia	600–1000
Тип IIa	2000–2200
CVD дијамант со висока чистота	До 2200+

За апликации за термичко управување, најчесто користените материјали се монокристален дијамант тип IIa и висококвалитетен CVD поликристален дијамант.

Како дијамантот спроведува топлина?

Тајната лежи во атомската структура на дијамантот.

Дијамантот има кубна кристална решетка во која секој атом на јаглерод е врзан за четири соседни атоми на јаглерод преку силни sp³ ковалентни врски, формирајќи исклучително стабилна тетраедарска структура.

Бидејќи сите валентни електрони се цврсто врзани во рамките на овие ковалентни врски, дијамантот практично не содржи слободни електрони и затоа делува како електричен изолатор.

Сепак, преносот на топлина кај дијамантот е извонредно ефикасен.

Пренос на топлина преку фонони

Кај дијамантот, топлинската енергија првенствено ја пренесуваат фононите - квантизираните вибрации на атомите во кристалната решетка.

Ефикасноста на преносот на топлина зависи од средната слободна патека на фононот, што го претставува растојанието што фононите можат да го поминат пред да бидат расејани.

Фактори кои ја намалуваат топлинската спроводливост вклучуваат:

• Азотни нечистотии
• Метални остатоци од катализатор
• Кристални дефекти
• Дислокации
• Граници на зрната
• Микропукнатини
• Решеткасти дисторзии

Кога фононите се судираат со овие несовршености, нивното движење е прекинато, намалувајќи ја ефикасноста на пренос на топлина.

Затоа, колку е почист и структурно посовршен дијамантскиот кристал, толку е поголема неговата топлинска спроводливост. Ова објаснува зошто дијамантот од тип IIa и висококвалитетниот CVD дијамант покажуваат супериорни термички перформанси во споредба со другите класи на дијаманти.

Предности на дијамантските распрскувачи на топлина

Во споредба со традиционалните материјали за термичко управување, дијамантските распрскувачи на топлина нудат неколку значајни предности:

Ултра висока топлинска спроводливост

Брзото отстранување на топлина помага во одржувањето на стабилни работни температури дури и при екстремни густини на моќност.

Ниска термичка експанзија

Коефициентот на топлинска експанзија на дијамантот е приближно 0,8 × 10⁻⁶/K, што е многу ист како кај многу полупроводнички материјали и го минимизира термичкиот стрес.

Електрична изолација

За разлика од бакарот или алуминиумот, дијамантот обезбедува одлична топлинска спроводливост без да ја наруши електричната изолација.

Лесен дизајн

Diamond овозможува потенки и полесни решенија за термичко управување за компактни електронски уреди.

Долгорочна сигурност

Хемиската инертност на дијамантот и исклучителните механички својства придонесуваат за супериорна издржливост под тешки услови на работа.

Примени на дијамант со висока топлинска спроводливост

Со напредокот на производствените технологии, материјалите за дијамантска дисипација на топлина наоѓаат сè поголема употреба во:

Полупроводнички уреди

• GaN енергетска електроника
• SiC модули за напојување
• Високофреквентни RF уреди
• Напредни технологии за пакување

Ласерски системи

• Ласерски диоди со висока моќност
• Ласери во цврста состојба
• Индустриска ласерска опрема

Аерокосмичка електроника

• Сателитски комуникациски системи
• Радарски модули
• Електроника за висока температура

Вештачка интелигенција и центри за податоци

• Забрзувачи на вештачка интелигенција
• Процесори со високи перформанси
• Напредни компјутерски платформи

Оптички и фотонски уреди

• Прецизни оптички компоненти
• LED системи со висока моќност
• Фотонски интегрирани кола

Експертите од индустријата широко го сметаат дијамантот за еден од најперспективните материјали за термичко управување од следната генерација за напредни технологии за електроника и полупроводници.

Иднината на технологијата за термичко управување со дијаманти

Со оглед на тоа што густината на моќност продолжува да расте во полупроводничките, телекомуникациските, автомобилските и воздухопловните индустрии, побарувачката за напредни термички решенија само ќе се зголемува.

Со континуираните подобрувања во технологиите за производство на дијаманти со HPHT и CVD, дијамантските материјали со висока топлинска спроводливост стануваат подостапни и поекономични од кога било досега.

Од полупроводни пакувања до вештачка интелигенција во компјутерите и воздухопловните системи, дијамантот преминува од нишен материјал во клучен овозможувач на електрониката од следната генерација.

Неговата неспоредлива комбинација на топлинска спроводливост, електрична изолација, ниска термичка експанзија и механичка издржливост го позиционира дијамантот како еден од највредните материјали за термичко управување за иднината.