반도체 분야 다이아몬드 응용의 또 다른 돌파구

인공 지능 기술의 발전으로 집적 회로 기능 크기가 지속적으로 소형화되고 집적 밀도가 지속적으로 증가하여 기기-수준 열 유속이 크게 증가합니다. 현재 전자 칩의 열유속 밀도는 약 1000W/cm²에 도달했으며 국지적 핫스팟은 수천 W/cm²를 초과합니다. 이 열을 효과적으로 방출할 수 없으면 장치 온도가 상승하고 성능이 저하되며 안정성과 신뢰성이 손상되고 극단적인 경우 고장이나 열 소손이 발생합니다.

 

마이크로채널 방열판은 높은 열 효율, 컴팩트한 구조 및 시스템 통합 용이성으로 인해 널리 사용되는 기술이 되었습니다. 그러나 기하학적 구성으로 인해 압력 강하가 증가하고 고온에서 표면 특성을 유지하기 어려운 등의 문제에 직면해 있습니다. 매우 높은 열전도율(1000-2200W/(m・K)), 높은 융점 및 전기 절연 특성을 갖춘 다이아몬드, 열전도율 및 열팽창 계수에 장점이 있는 AlN 기판, 이중 가열 및 온도 측정 기능을 갖춘 Pt 박막은 마이크로채널 냉각 시스템을 최적화하기 위한 핵심 소재입니다. 목표는 높은 열 유속 열 관리 문제를 해결하기 위해 CVD-DMC를 기반으로 하는 이종 재료 통합 냉각 솔루션을 개발하는 것입니다.

 

Nanjing University of Science and Technology의 Hu Dinghua는 Microsystem의 Quanfeng Zhou 팀 및 중국 공학 물리학 아카데미의 Terahertz 연구 센터와 협력하여 최근 화학 기상 증착(CVD) 다이아몬드 마이크로채널- 기반 이종 재료 통합 냉각(DMC) 솔루션을 제안했습니다. 시뮬레이션과 실험 방법을 결합하여 초-고열 유속 조건에서 열 전달 성능을 체계적으로 조사했습니다. "고열유속 이종 재료{4}}통합 다이를 위한 CVD 다이아몬드 마이크로채널 냉각에 대한 실험적 및 수치적 연구"라는 제목의 이 연구는 International Journal of Heat and Mass Transfer에 게재되었습니다.

 

이 연구는 CVD 다이아몬드 마이크로채널을 질화알루미늄(AlN) 기판과 통합했으며, 그 위에 다양한 형상의 리브 구조가 펨토초 레이저 마이크로머시닝을 사용하여 제작되었습니다. 이 연구에서는 최적의 설계 매개변수를 결정하기 위해 직사각형, 원형 ​​및 다이아몬드{1}} 모양의 리브의 열 전달 및 흐름 특성을 비교하는 데 중점을 두었습니다. 이번 연구는 먼저 동일한 구조의 다이아몬드와 실리콘 마이크로채널의 방열 성능을 비교했다. 1100W/cm²의 열 유속에서 다이아몬드 마이크로 채널의 최대 온도는 실리콘 채널의 최대 온도보다 약 30도 낮아 우수한 열 전도 및 확산 성능을 나타냅니다. 세 가지 리브 구조를 비교하면 다이아몬드- 모양의 리브 구조가 우수한 열 관리 성능을 제공한다는 것을 알 수 있습니다. 144mL/분의 유속에서 다이아몬드{10}모양의 리브 샘플은 원형 및 직선형 리브보다 낮은 약 66도의 최대 온도를 달성했습니다. 다이아몬드- 모양의 구조는 경계층을 효과적으로 파괴하고 유체 혼합을 촉진하며 국부적인 열 전달 계수를 향상시킵니다. 그러나 이는 또한 약간 더 높은 압력 강하를 초래합니다. 성능 평가 지수(PEC)는 다이아몬드- 모양의 구조가 열 전달과 에너지 소비 사이에서 최적의 균형을 달성한다는 것을 보여줍니다.

 

연구 결과는 고-열-전자 패키징, 전력 장치 및 AI 칩에 대한 새로운 냉각 전략을 제공합니다. 다이아몬드 마이크로채널의 높은 열 전도성과 전기 절연 특성으로 인해 데이터 센터, 무선 주파수 모듈 및 3D 패키징 분야의 미래 응용 분야에 유망합니다.