Além do cobre: ​​como o diamante de alta condutividade térmica permite um resfriamento de semicondutores mais rápido e confiável

O cobre puro tem sido usado como substrato semicondutor de dissipação de calor há várias décadas, com uma condutividade térmica de aproximadamente 400 W/m·K. Na era atual, em que as GPUs AI excedem 1.000 W e os módulos de potência SiC/GaN têm uma densidade de fluxo de calor superior a 1.000 W/cm², o limite físico do cobre foi atingido: os pontos de acesso não podem ser espalhados rapidamente, a temperatura da junção do chip aumenta, provocando redução de frequência, e um aumento de 10 graus na temperatura leva a uma diminuição de 50% na confiabilidade. O pacote também deforma e se desprende devido à incompatibilidade em CTE (16,7 ppm/grau) com silício (2,6)/SiC.
Diamante sintético de alta condutividade térmica(CVD policristalino 1500–2000 W/m·K, cristal único IIa 2200–2400 W/m·K) é 5–5,5 vezes maior que o cobre, com um CTE de apenas 1–2 ppm/grau, alcançando quase zero incompatibilidade térmica com o chip; é também um isolante elétrico, permitindo a fixação direta de matrizes nuas, podendo suportar 1200 graus e densidade de 3,5 g/cm³ (cobre 9). O dissipador de calor de diamante CVD reduz a temperatura da junção da GPU em 15–25 graus, liberando 10–22% do poder de computação; o composto de diamante-cobre (diamante/Cu, fração de volume de 40 a 60%) atinge 600 a 1.000 W/m·K, equilibrando custo e capacidade de fabricação, e se tornou a principal força de produção para servidores de IA e inversores de SiC-de nível automotivo.

Decisão de aquisição: Não se trata de “substituir ou não”, mas de “como configurar”.
GaN HPC/RF emblemático: dissipador de calor de diamante CVD de cristal único/multi{0}}cristalino + metalização de Ti/Pt/Au, dissipação de calor próxima à{2}}junção;
Potência de nível-automotivo/servidores de IA convencionais: substrato composto de diamante/Cu, CTE ajustado para corresponder ao SiC;
Câmaras de vácuo e transportadores: Cobre de tungstênio, cobre molibdênio para embalagens eletrônicas, liga de titânio para suportes de wafers e componentes de fornos a vácuo.
As armadilhas da aquisição descentralizada são bastante evidentes: uma fábrica de semicondutores de potência comprou separadamente diamante CVD, substrato de cobre de tungstênio e portador TC4. Os cronogramas de entrega dos três tinham 2 semanas de intervalo. A metalização na superfície do diamante não atendeu aos padrões, resultando em vazios na soldagem AuSn, e todo o lote foi sucateado. Outra fábrica comprou IHS de cobre puro e terceirizou compósito de diamante. A resistência térmica da interface excedeu o padrão e os chips ainda sofreram redução de frequência.