一片冰芯——高功率芯片热沉材料创新突破者

简介

大算力时代，算力急剧增加，给芯片散热带来巨大挑战。芯片算力提升的瓶颈是热，数据中心能耗的主要来源也是热，“双碳”背景下，加快发展芯片散热技术，提升算力和推进数据中心节能降碳势在必行。金刚石/铜复合材料具有热导率高，热膨胀系数与芯片匹配等优良特性，被认为是最具有潜力的高功率芯片热沉材料，发展前景广阔。然而，面对大规模的生产与应用，金刚石/铜热沉材料却存在实际导热不足、生产成本高、加工精度和效率难兼顾三大难题。 针对以上难题，本项目提出了表面改性设备创新、真空气压浸渗设备创新和模具创新三大研发思路。首先改良传统表面改性设备设计，创新采用双温区可旋转设备设计，解决金刚石与铜界面润湿性差问题，实现表面改性过程中金刚石颗粒无热损伤、颗粒均匀镀覆，金刚石/铜产品实际热导率高达926W/(m·k)，较同行提高20%。其次，改良传统浸渗设备设计，创新采用分体式真空气压浸渗设计，解决金刚石/铜生产成本高问题，生产设备成本降低37%，生产周期缩短47%，真正实现降本增效。最后，采用独特金属模具数字化设计耦合真空气压浸渗工艺设计，实现产品精密近净成型，并在产品代加工部位原位生成冶金金属层，有效解决了产品难加工问题，产品表面粗糙度最佳为0.1μm，精度最佳为±0.01mm，处于行业领先地位。 2020年项目创始团队在校企合作订单班中了解到芯片散热材料短板后，萌生了自主研发念头。在指导老师的建议下，与团队成员一起走访30余家企业，从零起步，层层递进，寻找问题最优解，最终创新性提出工艺创新、生产设备创新和模具创新三大研发思路。2022年11月项目专项研发团队成立，经过400余天历练，最终制备出系列化、低成本、高导热、易加工的金刚石/铜热沉产品。 本项目三大核心技术经科技查新为国内外首创。经专业机构检测，产品热导率、表面粗糙度和精度均处于行业领先地位。目前团队已申请6项专利，研究成果获行业专家高度认可。2024年产品提供给中国铁塔、中车株洲电力机车研究所和国家超算长沙中心试用，用于5G基站、轨道交通IGBT和数据中心芯片散热，性能指标满足使用要求，达成了200万元采购意向，拟在新机架和基站应用，替代传统的钨铜和铝碳化硅热沉。