Алмаз яагаад ийм онцгой дулаан дамжуулалттай байдаг вэ?

Алмазан дулаан шингээгч материалууд: Өндөр хүчин чадалтай электроникийн дулааны менежментийн ирээдүй

Электрон төхөөрөмжүүд улам бүр жижиг болж, хурдан болж, хүчирхэгжиж байгаа тул дулааны менежмент нь орчин үеийн салбарын тулгарч буй хамгийн том сорилтуудын нэг болжээ. Өндөр хүчин чадалтай хагас дамжуулагч болон 5G холбооны системээс эхлээд цахилгаан тээврийн хэрэгсэл, сансрын электроник, хиймэл оюун ухааны тооцооллын төвүүд хүртэл эрчим хүчний нягтрал нэмэгдэх нь төхөөрөмжийн гүйцэтгэл болон найдвартай байдалд мэдэгдэхүйц нөлөөлж болзошгүй их хэмжээний дулааныг үүсгэдэг.

Уламжлалт дулааны менежментийн материалууд аажмаар хязгаартаа хүрч байна. Үүний үр дүнд судлаачид болон үйлдвэрлэгчид дулаан дамжуулах чанар сайтай, дулааны тэлэлт багатай, хөнгөн шинж чанартай дараагийн үеийн дулаан сарниулах материалыг идэвхтэй хайж байна.

Бүх мэдэгдэж буй материалуудын дотроос алмаз нь хамгийн ирээдүйтэй дулааны менежментийн шийдлүүдийн нэг юм.

Дулаан ялгаруулалтыг үр дүнтэй хийх нь яагаад маш чухал вэ?

Хагас дамжуулагч технологийн тасралтгүй дэвшил нь интеграцийн нягтрал нэмэгдэж, электрон төхөөрөмжүүдийн доторх дулааны урсгал нэмэгдэхэд хүргэсэн. Хэт их халалт нь дараахь зүйлийг үүсгэж болзошгүй:

• Төхөөрөмжийн үр ашиг буурсан
• Бүрэлдэхүүн хэсгийн ашиглалтын хугацаа богиноссон
• Дулааны стресс ба бүтцийн гэмтэл
• Системийн эвдрэлийн түвшин нэмэгдсэн

Эдгээр бэрхшээлийг шийдвэрлэхийн тулд салбарууд ихэвчлэн дараах шийдлүүдийг ашигладаг:

• Графит хуудас
• Графен материалууд
• Дулааны интерфэйсийн материалууд (TIMs)
• Дулааны хоолой
• Уурын камерууд
• Дэвшилтэт металл матрицын нийлмэл материалууд

Эдгээр технологиуд тодорхой давуу талыг санал болгодог ч олонх нь дараагийн үеийн өндөр хүчин чадалтай электроникийн өсөн нэмэгдэж буй эрэлт хэрэгцээг хангахад бэрхшээлтэй тулгардаг, ялангуяа хэт нимгэн хийц, хөнгөн бүтэц, хэт их дулаан зайлуулах чадвар шаардлагатай үед.

Энэ нь нүүрстөрөгч дээр суурилсан дэвшилтэт дулааны материал, ялангуяа алмаазны сонирхлыг ихээхэн нэмэгдүүлсэн.

Алмаз: Дэлхий дээрх хамгийн дулаан дамжуулагч материалуудын нэг

Алмаз нь хамгийн хатуулагтай байгалийн материал гэдгээрээ өргөнөөр хүлээн зөвшөөрөгдсөн боловч түүний дулаан дамжуулалт нь мөн адил гайхалтай юм.

Үнэндээ өндөр чанартай алмааз нь зэсээс ойролцоогоор тав дахин өндөр дулаан дамжуулалтын утгыг харуулж чаддаг тул хамгийн үр дүнтэй дулаан дамжуулагч материалын нэг юм.

Дулааныг голчлон чөлөөт электронуудаар дамжуулдаг металлуудаас ялгаатай нь алмаз нь фонон гэгддэг торны чичиргээгээр дамжуулан дулааныг дамжуулдаг.

Өвөрмөц талст бүтцийн ачаар алмаз нь дараахь зүйлийг санал болгодог.

• Маш өндөр дулаан дамжуулалт
• Дулааны тэлэлтийн маш бага коэффициент
• Маш сайн цахилгаан тусгаарлагч
• Өндөр диэлектрик бат бэх
• Маш сайн химийн тогтвортой байдал
• Онцгой механик бат бөх чанар

Эдгээр шинж чанарууд нь алмазыг дэвшилтэт дулаан тараагч, хагас дамжуулагч суурь, лазер систем, өндөр хүчин чадалтай электрон сав баглаа боодлын хэрэглээнд тохиромжтой материал болгодог.

Төрөл бүрийн алмазын дулаан дамжуулалт

Бүх алмаз ижил дулааны шинж чанартай байдаггүй. Дулаан дамжуулалт нь талстын цэвэршилт, согогийн нягтрал, хольцын концентраци, талстын бүтэц зэргээс ихээхэн хамаардаг.

Алмазыг ерөнхийдөө хэд хэдэн ангилалд ангилдаг бөгөөд үүнд:

• Ia төрөл
• Ib төрөл
• IIa төрөл
• IIb төрөл

Тэдгээрийн дотроос IIa төрлийн алмаз нь хамгийн цэвэр хэлбэрт тооцогддог бөгөөд азот болон борын хольцын маш бага агууламжтай байдаг. Үүний үр дүнд энэ нь хамгийн өндөр дулаан дамжуулалттай байдаг.

Дулаан дамжуулалтын ердийн утгууд нь:

Алмазын төрөл	Өрөөний температурт дулаан дамжуулах чанар (Вт/м·К)
Ia төрөл	600–1000
IIa төрөл	2000–2200 он
Өндөр цэвэршилттэй CVD алмаз	2200+ хүртэл

Дулааны менежментийн хэрэглээнд IIa төрлийн дан талст алмаз болон өндөр чанартай CVD поликристал алмаз нь хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг материал юм.

Алмаз дулааныг хэрхэн дамжуулдаг вэ?

Нууц нь алмазын атомын бүтцэд оршдог.

Алмаз нь куб хэлбэрийн болор тортой бөгөөд нүүрстөрөгчийн атом бүр нь хүчтэй sp³ ковалент холбоогоор дамжуулан хөрш зэргэлдээ дөрвөн нүүрстөрөгчийн атомтай холбогддог бөгөөд энэ нь онцгой тогтвортой тетраэдр бүтэц үүсгэдэг.

Бүх валентын электронууд эдгээр ковалент холбоонд нягт холбогдсон тул алмаз нь бараг чөлөөт электрон агуулдаггүй тул цахилгаан тусгаарлагчийн үүрэг гүйцэтгэдэг.

Гэсэн хэдий ч алмаз дахь дулаан дамжуулалт нь маш үр дүнтэй байдаг.

Фононоор дамжин дулаан дамжуулалт

Алмазд дулааны энергийг голчлон фононууд буюу болор тор доторх атомуудын квантлагдсан чичиргээгээр дамжуулдаг.

Дулаан дамжуулалтын үр ашиг нь фононы дундаж чөлөөт замаас хамаардаг бөгөөд энэ нь фононууд тархахаас өмнө туулж чадах зайг илэрхийлдэг.

Дулаан дамжуулалтыг бууруулдаг хүчин зүйлүүд нь:

• Азотын хольц
• Металл катализаторын үлдэгдэл
• Кристал согог
• Мулгуу
• Үр тарианы хил хязгаар
• Микрокрекүүд
• Торны гажуудал

Фононууд эдгээр төгс бус байдалтай мөргөлдөх үед тэдгээрийн хөдөлгөөн тасалдаж, дулаан дамжуулах үр ашгийг бууруулдаг.

Тиймээс алмазын болор илүү цэвэр, бүтцийн хувьд илүү төгс байх тусам дулаан дамжуулалт нь өндөр байдаг. Энэ нь IIa төрлийн алмаз болон өндөр чанартай CVD алмаз нь бусад алмазын зэрэглэлтэй харьцуулахад илүү сайн дулааны гүйцэтгэл үзүүлдэг шалтгааныг тайлбарладаг.

Алмазан дулаан тараагчийн давуу талууд

Уламжлалт дулааны менежментийн материалтай харьцуулахад алмазан дулаан түгээгч нь хэд хэдэн чухал давуу талыг санал болгодог.

Хэт өндөр дулаан дамжуулалт

Дулааныг хурдан зайлуулах нь хэт их эрчим хүчний нягтралтай үед ч тогтвортой ажиллах температурыг хадгалахад тусалдаг.

Дулааны бага тэлэлт

Даймондын дулааны тэлэлтийн коэффициент нь ойролцоогоор 0.8 × 10⁻⁶/K бөгөөд энэ нь олон хагас дамжуулагч материалтай маш төстэй бөгөөд дулааны стрессийг хамгийн бага хэмжээнд байлгадаг.

Цахилгаан тусгаарлагч

Зэс эсвэл хөнгөн цагаанаас ялгаатай нь алмаз нь цахилгаан тусгаарлалтыг алдагдуулахгүйгээр маш сайн дулаан дамжуулалтыг хангадаг.

Хөнгөн загвар

Даймонд нь авсаархан электрон төхөөрөмжүүдэд зориулсан илүү нимгэн, хөнгөн дулааны удирдлагын шийдлүүдийг бий болгодог.

Урт хугацааны найдвартай байдал

Даймондын химийн идэвхгүй байдал болон онцгой механик шинж чанарууд нь хүнд нөхцөлд ажиллахад маш сайн бат бөх чанарыг бий болгодог.

Өндөр дулаан дамжуулалтын алмазын хэрэглээ

Үйлдвэрлэлийн технологи хөгжихийн хэрээр алмазан дулаан ялгаруулдаг материалыг дараахь зүйлд улам бүр ашиглаж байна.

Хагас дамжуулагч төхөөрөмжүүд

• GaN цахилгаан электроник
• SiC цахилгаан модулиуд
• Өндөр давтамжийн RF төхөөрөмжүүд
• Дэвшилтэт сав баглаа боодлын технологиуд

Лазер системүүд

• Өндөр хүчин чадалтай лазер диодууд
• Хатуу төлөвт лазерууд
• Аж үйлдвэрийн лазер тоног төхөөрөмж

Агаарын сансрын электроник

• Хиймэл дагуулын холбооны системүүд
• Радарын модулиуд
• Өндөр температурын электроник

Хиймэл оюун ухаан ба өгөгдлийн төвүүд

• Хиймэл оюун ухааны хурдасгуур
• Өндөр хүчин чадалтай процессорууд
• Дэвшилтэт тооцооллын платформууд

Оптик ба Фотоник Төхөөрөмжүүд

• Нарийвчлалтай оптик бүрэлдэхүүн хэсгүүд
• Өндөр хүчин чадалтай LED системүүд
• Фотоник интеграл хэлхээ

Салбарын мэргэжилтнүүд алмазыг дэвшилтэт электроник болон хагас дамжуулагч технологийн хамгийн ирээдүйтэй дараагийн үеийн дулааны менежментийн материалын нэг гэж өргөнөөр үздэг.

Алмазан дулааны менежментийн технологийн ирээдүй

Хагас дамжуулагч, харилцаа холбоо, автомашин, сансар судлалын салбаруудад эрчим хүчний нягтрал үргэлжлэн өсөхийн хэрээр дэвшилтэт дулааны шийдлүүдийн эрэлт хэрэгцээ улам бүр нэмэгдэх болно.

HPHT болон CVD алмаз үйлдвэрлэлийн технологийн тасралтгүй сайжралттай холбоотойгоор өндөр дулаан дамжуулалттай алмазан материалууд өмнөхөөсөө илүү хүртээмжтэй, зардал багатай болж байна.

Хагас дамжуулагч сав баглаа боодлоос эхлээд хиймэл оюун ухааны тооцоолол болон сансрын систем хүртэл алмаз нь жижиг материалаас дараагийн үеийн электроникийн чухал эх үүсвэр болж шилжиж байна.

Дулаан дамжуулалт, цахилгаан тусгаарлалт, бага дулаан тэлэлт, механик бат бөх чанар зэрэг хосгүй хослол нь алмазыг ирээдүйн хамгийн үнэ цэнэтэй дулааны менежментийн материалын нэг болгож байна.