Çipler küçüldükçe ve güç yoğunlukları arttıkça termal yönetim performansı kısıtlayan bir darboğaz haline geldi. Bakır ve alüminyum onlarca yıldır sektöre hizmet ediyor ancak termal iletkenlikleri tavan yapıyor. Yarı iletken dünyasının olağanüstü özelliklere sahip bir malzemeye yönelmesinin nedeni budur: elmas.

Bakırın beş ila altı katı termal iletkenliğe sahip olan elmas, doğası gereği üstün bir ısı yayıcıdır. Ancak bunu pratik bir termal çözüme dönüştürmek üç farklı teknoloji yolu ortaya çıkardı -elmas-bakır kompozitleri, saf CVD polikristalin elmas, Vetek-kristal elmas. Hepsi "elmas" kelimesini paylaşsa da performansları, fiyat noktaları ve hedef uygulamaları önemli ölçüde farklılık gösteriyor.

Soldan sağa: elmas-bakır kompozit disk, yarı saydam CVD çok kristalli elmas levha ve berrak tek-kristal elmas - aynı termal zorluk için üç malzeme mimarisi.

Elmas-bakır kompozitleriSentetik elmas parçacıklarını, termal olarak iletken bir takviye olarak, sızma veya sinterleme yoluyla üretilen bir bakır matrisle birleştirir. Toplu-üretilen kaliteler genellikle 600–900 W/m·K'ye ulaşırken, 3D ağ mimarilerine sahip laboratuvar numuneleri 1.000 W/m·K'yi aşmıştır. En büyük avantajları ayarlanabilir bir termal genleşme katsayısıdır (CTE): Elmas hacim fraksiyonunu %40'tan %70'e değiştirerek CTE, silikon, silikon karbür ve galyum nitrürle eşleşen 4-10 ppm/K'ye çevrilebilir. Teknik zorluk, elmas-bakır arayüzündeki (temas açısı yaklaşık 140 derece) zayıf ıslanabilirliktir; bu durum, etkili bir ısı{16}}aktarımı yolu oluşturmak için titanyum veya krom gibi karbür{15}}oluşturucu kaplamalar gerektirir.

Saf CVD polikristalin elmasmikrodalga plazma kimyasal buhar biriktirme (MPCVD) yoluyla büyütülür ve metalik faz içermez. Isıl iletkenliği, öncelikle tane boyutuna bağlı olarak, düşük kaliteler için yaklaşık 1.000 W/m·K ve yüksek-kaliteli malzeme için - 2.200 W/m·K'nin üzerinde geniş bir - aralığını kapsar. Daha büyük taneler, daha az tanecik sınırı ve daha az fonon saçılması anlamına gelir; bu da iletkenliği tek-kristal seviyelerine yaklaştırır. Yaklaşık 1 ppm/K'lik CTE'si, mükemmel elektrik yalıtımı, kimyasal eylemsizliği ve yüksek mekanik mukavemeti ile çok yönlü bir termal malzemedir. Sekiz-inçlik ısı dağıtıcılar halihazırda seri üretime geçmiş durumda. Dezavantajı ise sertliktir: dilimleme ve cilalama yavaştır ve takımları çabuk tüketir, bu da maliyeti önemli ölçüde artırır.

Tek-kristal elmassürekli olarak 2.000–2.400 W/m·K sağlayan katı-malzemelerin termal iletkenlik sınırını temsil eder. Son derece sıkı süreç kontrolü gerektiren, özel tek-kristal tohumlar üzerinde CVD homoepitaksi ile üretilir. Bugün küresel üretim 1-2 inçte yoğunlaşıyor; 2026'da Element Six ve Orbray tekrarlanabilir 3-inç işlemeyi başardı, 4-inç ise geliştirme aşamasındadır. Temel zorluk kusur kontrolü ve verimdir; boyut arttıkça çıkıklar ve ikizler katlanarak artar ve kullanılabilir alan oranı keskin bir şekilde düşer. Uygulamalar şu anda savunma, uydu yükleri ve 6G RF cihazları gibi performansın ön planda olduğu sektörlerle sınırlıdır.

Elmas-bakır kompozitlerin maliyeti şu anda kabaca 3–5 kat saf bakırdır ve 4-inçlik ısı dağıtıcılar-bin-yuan'ın altında bir aralığa girmektedir. Maliyete duyarlı veri merkezi kurulumlarında bu prim, performans kazanımları ve enerji tasarrufları yoluyla geri kazanılabilir.

Saf CVD polikristalin elmas önemli ölçüde daha pahalıdır - 4-inç ısı yayıcılar levha başına yaklaşık 30.000 yuan civarında satılır. Baskın maliyet etkeni elektriktir: MPCVD araçları yüksek sıcaklıktaki plazma ortamlarında günlerce veya haftalarca sürekli olarak çalışır- ve güç, toplam üretim maliyetinin %40-50'sini oluşturur. Ekipman amortismanı ikinci-en büyük bileşendir.

Tek-kristal elmas, aralarında en pahalı olanıdır; 2-inçlik alt katmanların maliyeti on binlerce yuandır ve arz kısıtlıdır. Yüksek-kaliteli tohumların kendisi de CVD-ile yetiştirilen, uzun teslimat sürelerine ve sınırlı verime sahip ürünlerdir. Büyüme oranları saatte yalnızca birkaç mikrometredir, bu da tek bir levhanın haftalar sürebileceği anlamına gelir. Son derece düşük geniş alan verimiyle birleştiğinde, bu faktörler hızlı maliyet düşüşünü olanaksız hale getiriyor.