لقد أدى الانفجار الهائل في قوة الحوسبة النموذجية- إلى ارتفاع كثافة الطاقة لشرائح الذكاء الاصطناعي وأجهزة -الجيل الثالث من أشباه الموصلات بشكل متزايد. لقد وصلت المشتتات الحرارية التقليدية المصنوعة من النحاس والألومنيوم إلى سقف الأداء البدني. في سيناريوهات-التدفق الحراري-العالي، لم تعد اختراقات تبديد الحرارة تعتمد على التحسين الهيكلي وحده-أصبحت حدود أداء المواد الجوهرية هي عنق الزجاجة الحاسم بالنسبة للاستقرار وعمر الخدمة للأجهزة-المتطورة. بفضل خصائصه الفيزيائية الشاملة والمتميزة، يتحول الماس بسرعة من مادة معملية إلى تطبيق صناعي، ليصبح المادة الأساسية التي تعيد تشكيل مشهد الإدارة الحرارية للرقائق -المتطورة.
يعتبر أداء دايموند الشامل في تبديد الحرارة استثنائيًا، حيث تنبع ميزته الأساسية من آلية التوصيل الحراري الفريدة. على عكس النحاس والألومنيوم، اللذين يعتمدان على الإلكترونات الحرة لنقل الحرارة ولديهما قيود متأصلة، يقوم الماس بتوصيل الحرارة من خلال نقل الفونون، مما يخترق بشكل أساسي سقف التبديد الحراري للمواد المعدنية التقليدية.
يحقق الماس البلوري-المفرد موصلية حرارية-لدرجة حرارة الغرفة تبلغ 2000–2200 واط/(م·ك)-من 5 إلى 6 أضعاف النحاس وأكثر من 9 أضعاف الألومنيوم. وفي الوقت نفسه، فإن معامل التمدد الحراري المنخفض (1.0–1.2×10⁻⁶/K)، والمقاومة الكهربائية العالية للغاية، وثابت العزل الكهربائي المنخفض يجعلها متوافقة تمامًا مع متطلبات تعبئة الرقائق. وهو يعالج في الوقت نفسه التحديات الثلاثة الرئيسية المتمثلة في الحمل الحراري العالي، وعدم التطابق الحراري، والتداخل الكهربائي، ويُعرف بأنه "المادة النهائية" لتبديد الحرارة في رقائق الذكاء الاصطناعي وأجهزة طاقة GaN.
بالنسبة للمشتتات الحرارية للرقائق، يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار التوصيل الحراري والقدرة على التكيف الهيكلي وتكلفة الإنتاج الضخم-في نفس الوقت. على الرغم من أن الماس البلوري-المفرد النقي يقدم أداءً فائقًا، إلا أنه من الصعب معالجته وإنتاجه على مساحات كبيرة ومكلف، مما يجعله غير مناسب للتصنيع على نطاق واسع-. هذا هو السبب الرئيسي وراء تخلي الصناعة عن مسار المبددات الحرارية الشاملة للألماس النقي وبدلاً من ذلك ركزت على إعطاء الأولوية للمواد المركبة من الألماس.
في الوقت الحالي، تعد المادة المركبة من الماس والنحاس هي المادة الأكثر نضجًا صناعيًا والأقرب إلى النشر على نطاق واسع-. تستخدم هذه المادة جزيئات الماس كمرحلة تقوية والنحاس كمصفوفة، وتجمع بين التوصيل الحراري العالي للغاية للماس مع ليونة وقابلية لحام النحاس، مما يحقق التوازن بين الأداء والتطبيق العملي الهندسي. تصل موصليته الحرارية إلى 600-1000 واط/(م·ك)، أي 1.5-2.5 مرة من النحاس النقي. من خلال ضبط جزء حجم الماس، يمكن مطابقة معامل التمدد الحراري بدقة مع مواد أشباه الموصلات مثل SiC وGaN، مما يؤدي بشكل فعال إلى حل مشكلات فشل وصلات الالتواء واللحام- الناتجة عن عدم التطابق الحراري في المشتتات الحرارية النحاسية التقليدية.
ومع ذلك، هناك حاجز هندسي مخفي: جودة الربط بين الماس والنحاس تحدد بشكل مباشر الأداء النهائي لتبديد الحرارة للمنتج النهائي. يؤدي ضعف الترابط بين الوجهين إلى مقاومة حرارية شديدة بين الوجهين، مما يؤدي إلى تدهور كبير في التوصيل الحراري. ولذلك، فإن العمليات الدقيقة مثل تعديل سطح الماس وسبائك مصفوفة النحاس تمثل حواجز تكنولوجية أساسية تفصل الشركات الرائدة عن الباقي وتضمن عائد الإنتاج-وهي أيضًا النقاط التنافسية الرئيسية في الصناعة.
تتبع صناعة الماس طريقين تقنيين رئيسيين-أحادي-بلوري ومتعدد البلورات-مع اختلاف ملحوظ في وتيرة التصنيع. لا يعد الماس البلوري-المفرد مادة ممتازة لتبديد الحرارة- فحسب، بل يعد أيضًا -أشباه موصلات ذات فجوة نطاق واسعة-عالية الأداء، مما يوفر مزايا مثل جهد الانهيار العالي، ومقاومة الإشعاع القوية، وقابلية الحركة العالية للموجات الحاملة، مع إمكانية استخدامه في المستقبل في تصنيع الرقائق ذات درجات الحرارة العالية-. ومع ذلك، فإن نمو البلورة-الفردية{11}}في منطقة كبيرة لا يزال يمثل تحديًا كبيرًا. إن الطرق السائدة-النمو-ثلاثي الأبعاد والتوسع (التبليط)-تحتوي على متطلبات صارمة بشأن جودة بلورات البذور وبيئات الترسيب، ولا تزال تعاني من مشكلات مثل الفجوات والنمو-غير الموحد، مما يجعل النشر التجاري-على المدى القريب أمرًا صعبًا.
الماس متعدد البلورات الذي يتم إنتاجه بواسطة عمليات CVD، على الرغم من أن موصليته الحرارية أقل قليلاً (1000-1800 واط/(م·ك)) من الماس البلوري الأحادي- بسبب تشتت الفونون عند حدود الحبوب، يمكن تصنيعه على مساحات كبيرة وبتكلفة أقل على نطاق واسع. تتحسن الموصلية الحرارية بشكل مطرد مع زيادة حجم الحبوب. ومن بين هذه المنتجات، يوفر الماس البلوري الدقيق والحبيبات الكبيرة-الماس متعدد البلورات توازنًا جيدًا بين الأداء والحجم والتكلفة، كما أن التقدم في التصنيع في مجال تبديد الحرارة-لأجهزة الطاقة العالية يفوق بكثير المنتجات الكريستالية-المفردة عالية الجودة-.
في الوقت الحالي، يعتمد تصنيع الألماس CVD بشكل أساسي على أربعة أنواع من الطرق، من بينها عملية MPCVD (ترسيب البخار الكيميائي لبلازما الميكروويف) هي الخيار المفضل لإنتاج -ألماس متعدد البلورات عالي الجودة نظرًا لمزاياه المتمثلة في عدم تلوث الأقطاب الكهربائية والبلازما المستقرة والمعلمات التي يمكن التحكم فيها. ومع ذلك، تواجه هذه العملية اختناقًا صعبًا في المعدات: حيث يتطلب إعداد أفلام الماس ذات المساحة الكبيرة-طاقة ميكروويف أعلى وتردد ميكروويف أقل، وبالتالي فإن حجم المنتج والإخراج مقيدان تمامًا بأداء الأجهزة لمولد الميكروويف.
يؤثر هذا القيد في المعدات بشكل مباشر على السلسلة الصناعية بأكملها. تعتبر أنظمة -MPCVD المستوردة عالية الجودة باهظة الثمن ولها فترات زمنية طويلة للتسليم، مما يحد من وتيرة توسيع القدرة المحلية. وفي الوقت نفسه، فإن معدات MPCVD عالية الطاقة المنتجة محليًا-تتكرر بسرعة وتكسر احتكار التكنولوجيا في الخارج. ستحدد سرعة نشر الإنتاج الضخم-بشكل مباشر-مسار تقليل تكلفة مواد تبديد الحرارة الماسية-وبالتالي ما إذا كانت هذه المادة يمكن أن تنتقل من-التطبيقات المتخصصة المتطورة إلى صناعات الطاقة-الحوسبة السائدة مثل خوادم الذكاء الاصطناعي وبطاقات التسريع.