По мере того, как чипы уменьшаются, а плотность мощности растет, управление температурным режимом становится узким местом, ограничивающим производительность. Медь и алюминий служат отрасли десятилетиями, но их теплопроводность достигает потолка. Вот почему мир полупроводников обращается к материалу с экстремальными свойствами: алмазу.

Имея теплопроводность в пять-шесть раз большую, чем медь, алмаз по своей сути является превосходным распределителем тепла. Но превращение его в практическое решение для теплоснабжения привело к появлению трех различных технологических направлений -алмазные-композиты меди, чистый поликристаллический алмаз CVD, имонокристаллический-алмаз. Хотя все они разделяют слово «бриллиант», их производительность, цена и целевые области применения существенно различаются.

Слева направо: алмазный-медный композитный диск, полупрозрачная поликристаллическая алмазная пластина CVD и прозрачный монокристаллический алмаз-алмаз- — три архитектуры материалов для одинаковых температурных условий.

Алмазные-композиты медиобъединить синтетические алмазные частицы в качестве теплопроводящего армирования с медной матрицей, изготовленной методом пропитки или спекания. Марки массового-производства обычно достигают 600–900 Вт/м·К, тогда как лабораторные образцы с трехмерной сетевой архитектурой превышают 1000 Вт/м·К. Их самым большим преимуществом является настраиваемый коэффициент теплового расширения (КТР): изменяя объемную долю алмаза от 40% до 70%, КТР можно установить на уровне 4–10 ppm/K, что соответствует кремнию, карбиду кремния и нитриду галлия. Технической проблемой является плохая смачиваемость на границе раздела алмаз-медь (угол контакта около 140 градусов), что требует использования карбидообразующих-покрытий, таких как титан или хром, для создания эффективного пути-передачи тепла.

Чистый поликристаллический алмаз CVDвыращивается методом микроволнового плазмохимического осаждения из паровой фазы (MPCVD) и не содержит металлической фазы. Его теплопроводность находится в широком диапазоне - примерно 1000 Вт/м·К для материалов более низких марок и более 2200 Вт/м·К для материалов высоких-сортов -, в зависимости главным образом от размера зерна. Более крупные зерна означают меньше границ зерен и меньшее рассеяние фононов, приближая проводимость к уровням монокристаллов. Благодаря КТР около 1 ppm/K, отличной электроизоляции, химической инертности и высокой механической прочности это-хороший термический материал. Восьми-дюймовые теплораспределители уже находятся в массовом производстве. Обратной стороной является твердость: нарезка кубиками и полировка выполняются медленно и быстро расходуют инструменты, что значительно увеличивает стоимость.

Монокристаллический-алмазпредставляет собой предел теплопроводности твердотельных-материалов, постоянно обеспечивающий 2000–2400 Вт/м·К. Его производят методом гомоэпитаксии CVD на специальных монокристаллических затравках, что требует чрезвычайно строгого контроля процесса. Мировое производство сегодня сконцентрировано на 1–2 дюймах; в 2026 году Element Six и Orbray добились повторяемости 3-дюймовой обработки, а 4-дюймовая технология все еще находится в разработке. Основной проблемой является контроль дефектов и повышение производительности: по мере увеличения размера вероятность возникновения дислокаций и двойников становится экспоненциально более высокой, а соотношение полезной площади резко падает. Приложения в настоящее время ограничены секторами, ориентированными на производительность, такими как оборона, спутниковая полезная нагрузка и радиочастотные устройства 6G.

Стоимость композитов из алмаза-меди в настоящее время примерно в 3–5 раз превышает чистоту меди, а 4-дюймовые теплораспределители стоят менее-тысячи-юаней. Для чувствительных к затратам развертываний центров обработки данных эта надбавка может быть возмещена за счет повышения производительности и экономии энергии.

Чистый поликристаллический алмаз CVD значительно дороже. - 4-дюймовые теплораспределители продаются по цене около 30 000 юаней за пластину. Преобладающим фактором затрат является электроэнергия: инструменты MPCVD работают непрерывно в течение нескольких дней или недель в средах с высокотемпературной плазмой, при этом на электроэнергию приходится 40–50 % общих производственных затрат. Износ оборудования — второй-по величине компонент.

Монокристаллический-алмаз является самым дорогим из всех: 2--дюймовые подложки стоят десятки тысяч юаней, а поставки остаются ограниченными. Высококачественные семена-сами по себе являются продуктами CVD,-выращенными с длительными сроками поставки и ограниченной урожайностью. Скорость роста составляет всего несколько микрометров в час, а это означает, что на создание одной пластины могут уйти недели. В сочетании с чрезвычайно низкой урожайностью на больших площадях эти факторы делают маловероятным быстрое снижение затрат.