Más allá del cobre: ​​cómo el diamante de alta conductividad térmica permite una refrigeración de semiconductores más rápida y fiable

El cobre puro se ha utilizado como sustrato semiconductor de disipación de calor durante varias décadas, con una conductividad térmica de aproximadamente 400 W/m·K. En la era actual, en la que las GPU de IA superan los 1000 W y los módulos de potencia de SiC/GaN tienen una densidad de flujo de calor de más de 1000 W/cm², se ha alcanzado el límite físico del cobre: ​​los puntos de acceso no se pueden extender rápidamente, la temperatura de la unión del chip aumenta, lo que provoca una reducción de la frecuencia, y un aumento de 10 grados en la temperatura conduce a una disminución del 50 % en la confiabilidad. El paquete también se deforma y se desprende debido a la falta de coincidencia en CTE (16,7 ppm/grado) con silicio (2,6)/SiC.
Diamante sintético de alta conductividad térmica.(CVD policristalino 1500–2000 W/m·K, monocristal IIa 2200–2400 W/m·K) es 5–5,5 veces mayor que el del cobre, con un CTE de solo 1–2 ppm/grado, logrando un desajuste térmico casi nulo con el chip; También es un aislante eléctrico, lo que permite la fijación directa de troqueles desnudos, y puede soportar 1200 grados y una densidad de 3,5 g/cm³ (cobre 9). El disipador de calor de diamante CVD reduce la temperatura de la unión de la GPU entre 15 y 25 grados, liberando entre el 10 y el 22 % de la potencia informática; el compuesto de diamante-cobre (Diamante/Cu, 40-60 % de fracción de volumen) alcanza 600-1000 W/m·K, equilibrando el costo y la capacidad de fabricación, y se ha convertido en la principal fuerza de producción para servidores de IA e inversores de SiC de grado automotriz-.

Decisión de adquisición: no se trata de "si reemplazar o no", sino de "cómo configurar".
HPC/RF GaN insignia: disipador de calor de diamante CVD monocristal/multi-cristal + metalización de Ti/Pt/Au, disipación de calor cerca-de la unión;
Potencia de grado de servidores de IA/automoción-convencional: sustrato compuesto de diamante/Cu, CTE ajustado para que coincida con el SiC;
Cámaras y soportes de vacío: cobre de tungsteno, cobre de molibdeno para envases electrónicos, aleación de titanio para soportes de obleas y componentes de hornos de vacío.
Los peligros de la adquisición descentralizada son bastante evidentes: una fábrica de semiconductores de potencia compró por separado diamante CVD, sustrato de cobre de tungsteno y portador TC4. Los calendarios de entrega de los tres tenían 2 semanas de diferencia. La metalización de la superficie del diamante no cumplió con los estándares, lo que provocó huecos en la soldadura de AuSn y todo el lote fue desechado. Otra fábrica compró IHS de cobre puro y subcontrató compuestos de diamante. La resistencia térmica de la interfaz superó el estándar y los chips aún experimentaron una reducción de frecuencia.