انفجار قدرت محاسباتی بزرگ-مدل، چگالی توان تراشههای هوش مصنوعی و دستگاههای نیمهرسانای نسل سوم را افزایش داده است. هیت سینک های مسی و آلومینیومی سنتی به سقف عملکرد فیزیکی رسیده اند. در سناریوهای-گرما-شار بالا، پیشرفتهای اتلاف گرما دیگر تنها به بهینهسازی ساختاری متکی نیستند-محدودیتهای عملکردی ذاتی مواد به گلوگاه تعیینکننده برای پایداری و عمر مفید دستگاههای پیشرفته- تبدیل شدهاند. به لطف خواص فیزیکی جامع برجستهاش، الماس به سرعت از یک ماده آزمایشگاهی به کاربرد صنعتی تبدیل میشود و تبدیل به ماده اصلی تغییر شکل چشمانداز مدیریت حرارتی تراشههای-بالا میشود.
عملکرد کلی اتلاف حرارت الماس استثنایی است و مزیت اصلی آن ناشی از مکانیزم هدایت حرارتی منحصر به فرد آن است. بر خلاف مس و آلومینیوم که برای انتقال حرارت به الکترونهای آزاد متکی هستند و محدودیتهای ذاتی دارند، الماس از طریق انتقال فونون گرما را هدایت میکند و اساساً سقف اتلاف حرارتی مواد فلزی سنتی را میشکند.
الماس تک بلوری دارای رسانایی حرارتی اتاق{{1}2000–2200 W/(m·K)-۵ تا ۶ برابر مس و بیش از ۹ برابر آلومینیوم است. در عین حال، ضریب انبساط حرارتی پایین آن (1.0-1.2×10-6/K)، مقاومت الکتریکی فوق العاده بالا و ثابت دی الکتریک پایین، آن را کاملاً با الزامات بسته بندی تراشه سازگار می کند. این به طور همزمان به سه چالش اصلی بار حرارتی بالا، عدم تطابق حرارتی و تداخل الکتریکی می پردازد و به عنوان "مواد نهایی" برای اتلاف گرما در تراشه های هوش مصنوعی و دستگاه های قدرت GaN شناخته می شود.
برای هیت سینک های تراشه، باید همزمان هدایت حرارتی، سازگاری ساختاری و هزینه تولید انبوه را در نظر گرفت. در حالی که الماس تک بلوری خالص-عملکرد فوق العاده ای را ارائه می دهد، پردازش آن دشوار است و تولید آن در مناطق وسیع بسیار پرهزینه است، که آن را برای تولید-در مقیاس بزرگ نامناسب می کند. این دلیل کلیدی است که چرا صنعت مسیر هیت سینک های جهانی الماس خالص را رها کرده و در عوض به اولویت بندی مواد کامپوزیتی الماس می پردازد.
در حال حاضر، بالغترین و نزدیکترین کاربرد صنعتی-در مقیاس بزرگ، مواد کامپوزیت الماس-مس است. این ماده از ذرات الماس بهعنوان فاز تقویتکننده و مس بهعنوان ماتریس استفاده میکند که رسانایی حرارتی فوقالعاده-الماس را با شکلپذیری و لحیمکاری مس ترکیب میکند و به تعادلی بین عملکرد و کاربردی بودن مهندسی دست مییابد. هدایت حرارتی آن به 600-1000 W/(m·K) می رسد که 1.5-2.5 برابر مس خالص است. با تنظیم کسر حجمی الماس، ضریب انبساط حرارتی را می توان دقیقاً با مواد نیمه هادی مانند SiC و GaN مطابقت داد، و به طور موثر مشکلات تاب خوردگی و لحیم{9}}ناشی از عدم تطابق حرارتی در هیت سینک های مسی سنتی را حل می کند.
با این حال، یک مانع مهندسی پنهان وجود دارد: کیفیت پیوند رابط الماس و مس به طور مستقیم عملکرد اتلاف حرارت نهایی محصول نهایی را تعیین می کند. اتصال بین سطحی ضعیف منجر به مقاومت حرارتی شدید سطحی می شود که به طور قابل توجهی هدایت حرارتی را کاهش می دهد. بنابراین، فرآیندهای ظریف مانند اصلاح سطح الماس و آلیاژسازی زمینه مس، موانع تکنولوژیکی اصلی هستند که شرکتهای پیشرو را از بقیه جدا میکند و بازده تولید را تضمین میکند{2}}اینها همچنین از نکات رقابتی کلیدی در صنعت هستند.
صنعت الماس از دو مسیر فنی اصلی-تک-کریستالی و پلی کریستالی-با سرعت های صنعتی شدن کاملاً متفاوت پیروی می کند. الماس تک کریستالی نه تنها یک ماده اتلاف حرارت عالی-بلکه یک نیمهرسانای{6}}عریض باند{{7} با عملکرد بالا است، که مزایایی مانند ولتاژ شکست بالا، مقاومت در برابر تشعشع قوی، و تحرک حامل بالا، با پتانسیل آتی برای استفاده در تراشهسازی با درجه حرارت بالا را ارائه میدهد. با این حال، رشد تک کریستالی{10}}منطقه بزرگی بسیار چالش برانگیز است. روشهای اصلی-رشد-سه بعدی و گسترش (کاشیکاری){15}}الزامات سختگیرانهای در مورد کیفیت کریستال بذر و محیطهای رسوبگذاری دارند، و همچنان از مشکلاتی مانند شکافها و رشد غیریکنواخت رنج میبرند که استقرار تجاری نزدیک{17} را دشوار میکند.
الماس پلی کریستالی تولید شده توسط فرآیندهای CVD، اگرچه دارای رسانایی حرارتی کمی کمتر (1000-1800 W/(m·K)) نسبت به الماس تک کریستالی به دلیل پراکندگی فونون در مرزهای دانه است، می تواند در مناطق بزرگ و با هزینه کمتر در مقیاس انبوه تولید شود. هدایت حرارتی آن به طور پیوسته با افزایش اندازه دانه بهبود می یابد. در این میان، الماسهای پلیکریستالی میکروکریستالی و دانههای بزرگ، تعادل خوبی بین عملکرد، اندازه و هزینه ارائه میدهند، و پیشرفت صنعتی آنها در اتلاف گرمای دستگاههای با قدرت بالا بسیار بیشتر از محصولات تک کریستالی با کیفیت بالا است.
در حال حاضر، ساخت الماس CVD عمدتاً بر چهار نوع روش متکی است که در میان آنها فرآیند MPCVD (رسوب بخار شیمیایی پلاسما در مایکروویو) به دلیل مزایای آن در عدم آلودگی الکترود، پلاسمای پایدار و پارامترهای قابل کنترل، انتخاب ارجح برای تولید الماس پلی کریستالی با کیفیت بالا است. با این حال، این فرآیند با یک گلوگاه تجهیزات سخت مواجه است: تهیه فیلمهای الماسی با مساحت بزرگ به قدرت مایکروویو بالاتر و فرکانس مایکروویو کمتر نیاز دارد، بنابراین اندازه و خروجی محصول کاملاً توسط عملکرد سختافزاری مولد مایکروویو محدود میشود.
این محدودیت تجهیزات مستقیماً کل زنجیره صنعتی را تحت تأثیر قرار می دهد. سیستمهای MPCVD وارداتی بالا-گران هستند و زمان تحویل طولانی دارند و سرعت افزایش ظرفیت داخلی را محدود میکنند. در عین حال، تجهیزات MPCVD با قدرت{3} تولید داخلی به سرعت در حال تکرار و شکستن انحصار فناوری در خارج از کشور هستند. سرعت استقرار تولید انبوه آن مستقیماً تعیین میکند که هزینه-مسیر کاهش حرارت{7}}مواد اتلاف الماس و بنابراین اینکه آیا این ماده میتواند از برنامههای{8} تخصصی پیشرفته به صنایع محاسباتی اصلی- مانند سرورهای کارت هوش مصنوعی و شتابدهنده نفوذ کند یا خیر.