У міру того, як мікросхеми зменшуються, а питома потужність зростає, керування температурою стає вузьким місцем, що обмежує продуктивність. Мідь і алюміній служать промисловості десятиліттями, але їхня теплопровідність досягає межі. Ось чому світ напівпровідників звертається до матеріалу з надзвичайними властивостями: алмазу.

Маючи теплопровідність, що в п’ять-шість разів перевищує теплопровідність міді, алмаз за своєю суттю є кращим розсіювачем тепла. Але перетворення його на практичне теплове рішення створило три різні технологічні шляхи -алмаз-мідні композити, чистий CVD полікристалічний алмаз, імоно-кристалічний алмаз. Хоча всі об’єднують слово «діамант», їх продуктивність, ціна та цільове застосування значно відрізняються.

Зліва направо: алмаз-мідний композитний диск, напівпрозора полікристалічна алмазна пластина CVD і прозорий моно-кристал алмазу - три архітектури матеріалів для того самого термічного завдання.

Алмаз-мідні композитипоєднують частинки синтетичного алмазу як теплопровідне армування з мідною матрицею, виготовленою шляхом інфільтрації або спікання. Серійні-марки зазвичай досягають 600–900 Вт/м·K, тоді як лабораторні зразки з 3D мережевими архітектурами перевищують 1000 Вт/м·K. Їх найбільшою перевагою є регульований коефіцієнт теплового розширення (КТР): змінюючи об’ємну частку алмазу від 40% до 70%, КТР можна набрати до 4–10 ppm/K, що відповідає кремнію, карбіду кремнію та нітриду галію. Технічною проблемою є низька змочуваність на межі розділу алмаз-мідь (кут контакту близько 140 градусів), що вимагає карбідо{15}}утворюючих покриттів, таких як титан або хром, щоб побудувати ефективний шлях-теплопередачі.

Чистий CVD полікристалічний алмазвирощується за допомогою мікрохвильового плазмохімічного осадження з газової фази (MPCVD) і не містить металевої фази. Його теплопровідність охоплює широкий діапазон - приблизно 1000 Вт/м·K для нижчого класу та понад 2200 Вт/м·K для високо-матеріалу - залежно головним чином від розміру зерен. Більші зерна означають менше меж зерен і менше розсіювання фононів, що наближає провідність до рівнів моно-кристала. Завдяки КТР близько 1 ppm/K, чудовій електроізоляції, хімічній інертності та високій механічній міцності, це добре -термічний матеріал. Восьми--дюймові теплорозподільники вже у масовому виробництві. Недоліком є ​​твердість: нарізка кубиками та полірування виконуються повільно та швидко витрачають інструменти, що значно збільшує вартість.

Моно{0}}кристалічний алмазпозначає межу теплопровідності твердотільних-матеріалів, що постійно забезпечує 2000–2400 Вт/м·К. Його виробляють за допомогою CVD гомоепітаксії на спеціальних моно-кристалічних зародках, що вимагає надзвичайно жорсткого контролю процесу. Світове виробництво сьогодні зосереджено на 1–2 дюймах; у 2026 році Element Six і Orbray досягли повторюваної обробки 3-дюймів, тоді як 4-дюйми залишаються в розробці. Основна проблема полягає в контролі дефектів і врожайності - зі збільшенням розміру дислокації та двійники стають експоненціально більшими, а співвідношення корисної площі різко падає. Застосунки наразі обмежені секторами, які мають на меті продуктивність, такими як оборона, супутникове корисне навантаження та радіочастотні пристрої 6G.

Діамантові-мідні композити наразі коштують приблизно в 3–5 разів дорожче чистої міді, а 4-дюймові теплорозподілювачі входять у діапазон до-тисяч-юанів. Для економічного розгортання центрів обробки даних цю премію можна компенсувати за рахунок підвищення продуктивності та економії енергії.

Чистий CVD полікристалічний алмаз значно дорожчий - 4-дюймові теплорозподільники коштують близько 30 000 юанів за пластину. Домінуючим фактором витрат є електроенергія: інструменти MPCVD безперервно працюють протягом днів або тижнів у високотемпературному плазмовому середовищі, при цьому енергія становить 40–50% від загальної вартості виробництва. Амортизація обладнання є другою-за величиною складовою.

Моно-кристалічний алмаз є найдорожчим з усіх, 2-дюймові підкладки коштують десятки тисяч юанів, а пропозиція залишається обмеженою. Високоякісне-насіння саме по собі є продуктом, вирощеним CVD-з тривалим часом виготовлення та обмеженим урожаєм. Швидкість зростання становить лише кілька мікрометрів на годину, тобто для однієї пластини можуть знадобитися тижні. У поєднанні з надзвичайно низькою врожайністю на великих площах ці фактори роблять швидке зниження витрат малоймовірним.