在開發(fā)下一代高性能半導(dǎo)體器件的競(jìng)賽中，熱管理已成為一個(gè)關(guān)鍵瓶頸。從超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的人工智能加速器，到國防和電信領(lǐng)域的射頻放大器，高效散熱能力如今已成為決定芯片性能、可靠性和總擁有成本的關(guān)鍵因素。
來源：元素六
應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)需要?jiǎng)?chuàng)新的熱管理材料，在這一領(lǐng)域，金剛石脫穎而出。近日，人造金剛石公司元素六（即 Element Six，簡(jiǎn)稱 E6）與日本 Orbray 株式會(huì)社的戰(zhàn)略合作取得關(guān)鍵進(jìn)展，雙方成功制備出50毫米直徑的高質(zhì)量單晶人造鉆石晶圓。這一突破的意義在于首次在實(shí)現(xiàn)大尺寸的同時(shí)，確保了晶圓的高質(zhì)量，并且生產(chǎn)過程具備可擴(kuò)展性和可重復(fù)性。
01
合作里程碑，破解行業(yè)長(zhǎng)期難題
過去，行業(yè)內(nèi)僅能在低缺陷密度與大尺寸襯底制備方面各自取得突破，將兩者結(jié)合始終是難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。此次成功標(biāo)志著這一瓶頸被突破，可擴(kuò)展的生產(chǎn)方式不僅有助于降低成本，更使得合成材料能夠順利集成到標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造流程中，為高功率芯片和先進(jìn)封裝的熱管理方案提供了新的可能。
2024年，元素六公司與Orbray公司宣布建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，共同開發(fā)通過化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)的高質(zhì)量、晶圓級(jí)單晶金剛石，旨在釋放人造金剛石作為高功率密度半導(dǎo)體器件散熱襯底以及作為先進(jìn)電子應(yīng)用中超寬禁帶半導(dǎo)體材料的雙重潛力。
基于這一戰(zhàn)略合作，兩家公司通過相互許可必要的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和設(shè)備，結(jié)合了Orbray的CVD單晶金剛石的創(chuàng)新方法，以及E6經(jīng)過驗(yàn)證的大面積沉積系統(tǒng)和制造高純度單晶金剛石的專業(yè)知識(shí)，為關(guān)鍵應(yīng)用提供可靠的高質(zhì)量晶圓級(jí)單晶金剛石，包括6G無線組件、先進(jìn)的電源和射頻電子、傳感、熱管理和量子器件。
Orbray 執(zhí)行董事 Kim Seongwoo 博士表示：“擁有超高質(zhì)量單晶鉆石生長(zhǎng)技術(shù)的E6，與擅長(zhǎng)大直徑鉆石合成的Orbray之間的合作，是一次‘創(chuàng)新性的智慧碰撞’，將加速推動(dòng)更可持續(xù)社會(huì)的實(shí)現(xiàn)。”
E6 首席技術(shù)專家 Daniel Twitchen 博士補(bǔ)充道：“如果在二十年前，甚至五年前問我這是否可能，我的答案都會(huì)是否定的。這一里程碑是緊密協(xié)作、技術(shù)韌性以及對(duì)人造金剛石半導(dǎo)體應(yīng)用共同愿景的直接成果。”
02
為熱管理應(yīng)用開辟新可能
隨著芯片功率密度的持續(xù)攀升，現(xiàn)有的熱管理解決方案難以跟上步伐。例如，最先進(jìn)的人工智能芯片在訓(xùn)練和推理工作負(fù)載期間會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需要復(fù)雜且昂貴的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)來維持性能并防止故障。國防和電信應(yīng)用中的射頻放大器也面臨類似挑戰(zhàn)，高溫會(huì)限制性能并縮短器件壽命。
散熱不足會(huì)導(dǎo)致多重痛點(diǎn)：
性能降頻：為避免過熱，芯片需在低于峰值性能的狀態(tài)下運(yùn)行。
可靠性降低：與熱量相關(guān)的故障可能導(dǎo)致代價(jià)高昂的停機(jī)，例如數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行中斷。在任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)中，此類故障是完全不可接受的。
高冷卻成本：數(shù)據(jù)中心需要高能耗的冷卻系統(tǒng)，影響可持續(xù)性和運(yùn)營利潤。
而人造金剛石以其無與倫比的熱導(dǎo)率，提供了一種變革性的解決方案。可以顯著改善散熱效能，使芯片運(yùn)行更快、溫度更低、更可靠。元素六和Orbray的成功聯(lián)動(dòng)，為人造金剛石在高功率芯片和先進(jìn)封裝中的散熱應(yīng)用開辟了新可能。
該成果得益于雙方技術(shù)的深度融合，將 Orbray 的鉆石異質(zhì)外延生長(zhǎng)技術(shù)成功移植到 E6 的化學(xué)氣相沉積鉆石合成平臺(tái)，并結(jié)合了后者在同質(zhì)外延及鉆石拋光方面的專業(yè)積累。
具體來看，合成金剛石晶圓的導(dǎo)熱系數(shù)超過2200 W/m·K，Ra<0.5 nm，平整度低于10μm，適合與氮化鎵（GaN）等下一代半導(dǎo)體直接鍵合。不僅為人造金剛石在高功率芯片和先進(jìn)封裝中的散熱應(yīng)用開辟了新可能，同時(shí)也朝著使其成為下一代射頻（RF）和電力電子器件中的寬帶隙半導(dǎo)體材料邁出了重要一步。據(jù)悉，Element Six正在與美國國防部Primes公司就這一特殊應(yīng)用進(jìn)行密切合作。
盡管要滿足金剛石基電子器件的嚴(yán)格要求，仍需在尺寸擴(kuò)大和缺陷密度降低方面進(jìn)一步改進(jìn)，但這一里程碑為該領(lǐng)域的未來創(chuàng)新和發(fā)展奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。
隨著行業(yè)努力應(yīng)對(duì)人工智能、5G、電氣化和國防現(xiàn)代化帶來的顛覆性需求，像人造金剛石這樣的多功能材料將變得至關(guān)重要。元素六和Orbray的這一里程碑式進(jìn)展確立了他們?cè)诖祟I(lǐng)域的先驅(qū)地位，同時(shí)也期待與行業(yè)伙伴合作，形成產(chǎn)業(yè)協(xié)同，共同釋放金剛石賦能技術(shù)的全部潛力。
嘉賓介紹
Speaker Introduction
作為世界領(lǐng)先的超硬材料生產(chǎn)商和供應(yīng)商，元素六總部在工業(yè)高度發(fā)達(dá)的盧森堡，在全球開展經(jīng)營，主要制造工廠位于中國、南非和英國。多年來，超硬材料的合成和加工始終是元素六公司的核心業(yè)務(wù)，產(chǎn)品包括人造金剛石和其它超硬材料，通過創(chuàng)新的超硬材料解決方案滿足客戶對(duì)產(chǎn)品極端性能的需求。元素六專注于與客戶開展緊密的戰(zhàn)略發(fā)展合作，從而提供定制化、創(chuàng)新化的高性能產(chǎn)品。主要業(yè)務(wù)由技術(shù)和磨料兩部分組成。其中，技術(shù)業(yè)務(wù)100%由戴比爾斯（De Beers）集團(tuán)所有；磨料業(yè)務(wù)的股份由戴比爾斯集團(tuán)（持有約60%股份）和全球材料集團(tuán)優(yōu)美科（Umicore，持有約40%股份）共同持有。
來源：未來產(chǎn)鏈
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