Diamant voor thermisch beheer: de sleutel tot het oplossen van warmteproblemen bij AI-chips.

Het verborgen knelpunt in AI-computing

In 2026 wordt AI-computing niet langer beperkt door de rekenkracht alleen. Het echte knelpunt is... warmteafvoer.

Moderne, krachtige GPU's kunnen de prestaties overtreffen. 2000W per chipterwijl de warmtefluxdichtheden oplopen tot meer dan 1000 W/cm²Op dit niveau bereiken traditionele koeloplossingen zoals koperen koelplaten, aluminium constructies en vloeistofkoeling hun fysieke grenzen.

Het gevolg hiervan is dat thermisch beheer een van de meest cruciale uitdagingen is geworden voor de volgende generatie AI-hardware.

Dit zorgt voor grote belangstelling vanuit de industrie voor een baanbrekend materiaal: diamant.

Waarom diamant?

Diamant is niet alleen het hardste bekende materiaal, maar ook een van de beste warmtegeleiders in de natuur.

De thermische geleidbaarheid ervan bereikt 2000–2600 W/(m·K):

• Ongeveer 5 keer hoger dan koper
• Ongeveer 10 keer hoger dan aluminium
• ~13 keer hoger dan silicium

Warmteoverdracht in diamant vindt voornamelijk plaats via fononen (roostertrillingen), mogelijk gemaakt door de sterke sp³-covalente structuur.

Naast een hoge thermische geleidbaarheid biedt diamant ook drie belangrijke voordelen:

• Lage thermische uitzetting→ compatibel met Si, SiC en GaN
• Elektrische isolatie→ voorkomt signaalinterferentie
• Hoge stabiliteit→ betrouwbaar onder extreme omstandigheden

Deze combinatie maakt diamant ideaal voor geavanceerd thermisch beheer van halfgeleiders.

Waarom warmtebeheer belangrijk is

De thermische prestaties hebben een directe invloed op de betrouwbaarheid van de chip.

Uit branchegegevens blijkt:

• Elk 1°C stijgingkan de betrouwbaarheid met ongeveer verminderen 5% 
• Een hoog risico op storingen treedt op boven 70–80°C
• Over 50% van de elektronische storingenhebben te maken met oververhitting.

In veel gevallen is het verbeteren van de koelefficiëntie belangrijker dan het verhogen van de rekenkracht zelf.

Daarom worden diamantthermische oplossingen al gebruikt in ruimtevaart-, defensie- en satellietsystemenwaar betrouwbaarheid cruciaal is.

Drie belangrijke diamantthermische technologieën

1. Diamant/kopercomposieten (fase van massaproductie)

Dit is momenteel de meest commercieel verkrijgbare oplossing.

Diamantdeeltjes worden in koper of aluminium ingebed om hoogwaardige composieten te vormen.

Prestatie:

• Thermische geleidbaarheid: 500–1000 W/(m·K)

Toepassingen:

• EV-vermogensmodules
• Server-voedingssystemen
• Krachtige LED's

Deze route staat bekend om de vroege, grootschalige industriële toepassing vanwege de gunstige balans tussen kosten en prestaties.

2. CVD-diamant warmteverspreiders (hoogwaardige AI-oplossing)

CVD (Chemical Vapor Deposition) diamant biedt de hoogste thermische prestaties.

Prestatie:

• Tot 2200 W/(m·K)(diamant van één kristal)

Belangrijkste kenmerken:

• Ultra-hoge zuiverheid
• Uitstekend warmteverspreidingsvermogen
• Compatibel met geavanceerde halfgeleiderverpakkingen.

Toepassingen:

• AI GPU's en HPC-chips
• RF- en GaN-apparaten
• Geavanceerde halfgeleiderverpakkingen

In 2026, Productielijnen voor 8-inch CVD-diamant warmteverspreidersDe productie ging van start op industriële schaal, wat een belangrijke mijlpaal in de commercialisering markeerde.

3. Diamantintegratie op chipniveau (toekomstige richting)

Het doel op lange termijn is om diamant rechtstreeks in chips te integreren door middel van groei- of hechtingstechnieken.

Dit zou de thermische interfaceweerstand elimineren en directe warmteafvoer uit de chipkern mogelijk maken.

Er blijven echter uitdagingen bestaan:

• Materiële mismatch met silicium en GaN
• Complexe fabricageprocessen
• Hoge productiekosten

Desondanks heeft vroeg onderzoek al aangetoond temperatuurdalingen van meer dan 20°Cwaarmee een groot potentieel wordt aangetoond.

Uitbreiding van de toepassingen

AI en datacenters

AI-chips genereren extreem hoge temperaturen. Diamanten thermische materialen kunnen de bedrijfstemperaturen aanzienlijk verlagen en de systeemstabiliteit verbeteren.

Elektrische voertuigen

Vermogensmodules (SiC en IGBT) in elektrische voertuigen vereisen een efficiënte warmteafvoer. Diamantcomposieten worden steeds vaker getest in omvormersystemen.

5G- en RF-apparaten

Krachtige GaN-componenten in basisstations profiteren van diamantsubstraten voor een betere thermische beheersing.

Lucht- en ruimtevaart en satellieten

Diamant wordt vanwege zijn ongeëvenaarde betrouwbaarheid onder extreme omstandigheden al in ruimtesystemen gebruikt.

Uitdagingen en kostenbarrières

Ondanks de sterke prestatievoordelen staat de diamantthermische technologie nog steeds voor uitdagingen:

• Hoge kosten(momenteel 10–20× koperoplossingen)
• Complexe verwerking(Lasersnijden en micromachining vereist)
• Schaalmoeilijkheidvoor grootschalige uniformproductie

De kosten dalen echter als gevolg van:

• Lokalisatie van CVD-apparatuur
• Verbeterde afzettingsefficiëntie
• Opschaling van de productie
• AI-geoptimaliseerde procesbesturing