De explosie van de rekenkracht van grote- modellen heeft de vermogensdichtheid van AI-chips en halfgeleiderapparaten van de derde- generatie steeds hoger gebracht. Traditionele koperen en aluminium koellichamen hebben het plafond van fysieke prestaties bereikt. In hoge-warmte-scenario's zijn doorbraken op het gebied van warmteafvoer niet langer afhankelijk van structurele optimalisatie alleen-de intrinsieke materiaalprestatielimieten zijn het doorslaggevende knelpunt geworden voor de stabiliteit en levensduur van hoogwaardige- apparaten. Dankzij de uitstekende, uitgebreide fysieke eigenschappen verandert diamant snel van laboratoriummateriaal naar industriële toepassing, en wordt het het kernmateriaal dat het thermische beheerlandschap van hoogwaardige chips opnieuw vormgeeft.
De algehele warmteafvoerprestaties van Diamond zijn uitzonderlijk, waarbij het belangrijkste voordeel voortkomt uit het unieke thermische geleidingsmechanisme. In tegenstelling tot koper en aluminium, die afhankelijk zijn van vrije elektronen voor warmteoverdracht en inherente beperkingen hebben, geleidt diamant warmte via fonontransport, waardoor het thermische dissipatieplafond van traditionele metalen materialen fundamenteel wordt doorbroken.
Enkel{0}}kristaldiamant bereikt een thermische geleidbaarheid bij kamertemperatuur-van 2000–2200 W/(m·K)-5 tot 6 keer die van koper en meer dan 9 keer die van aluminium. Tegelijkertijd maken de lage thermische uitzettingscoëfficiënt (1,0–1,2×10⁻⁶/K), de ultrahoge elektrische weerstand en de lage diëlektrische constante het perfect compatibel met de vereisten voor chipverpakking. Het pakt tegelijkertijd de drie belangrijkste uitdagingen aan: hoge thermische belasting, thermische mismatch en elektrische interferentie, en wordt erkend als het ‘ultieme materiaal’ voor warmteafvoer in AI-chips en GaN-stroomapparaten.
Voor chip-koellichamen moet men tegelijkertijd rekening houden met de thermische geleidbaarheid, het structurele aanpassingsvermogen en de massaproductiekosten. Hoewel zuivere single{2}}kristaldiamant extreme prestaties levert, is het moeilijk te verwerken en duur om over grote oppervlakken te produceren, waardoor het ongeschikt is voor productie op grote- schaal. Dit is de belangrijkste reden waarom de industrie de route van universele koellichamen met pure diamant heeft verlaten en in plaats daarvan prioriteit heeft gegeven aan diamantcomposietmaterialen.
Momenteel is het meest industrieel ontwikkelde en meest grootschalige implementatie het diamant-kopercomposietmateriaal. Dit materiaal gebruikt diamantdeeltjes als versterkende fase en koper als matrix, waardoor de ultra-hoge thermische geleidbaarheid van diamant wordt gecombineerd met de ductiliteit en soldeerbaarheid van koper, waardoor een evenwicht wordt bereikt tussen prestaties en technische bruikbaarheid. De thermische geleidbaarheid bedraagt 600–1000 W/(m·K), 1,5–2,5 keer die van puur koper. Door de diamantvolumefractie aan te passen, kan de thermische uitzettingscoëfficiënt precies worden afgestemd op halfgeleidermaterialen zoals SiC en GaN, waardoor de problemen met kromtrekken en soldeerverbindingen die worden veroorzaakt door thermische mismatch in traditionele koperen koellichamen effectief worden opgelost.
Er is echter een verborgen technische barrière: de kwaliteit van de verbinding tussen diamant en koper bepaalt rechtstreeks de uiteindelijke warmteafvoerprestaties van het eindproduct. Slechte grensvlakbinding leidt tot ernstige thermische weerstand aan het grensvlak, waardoor de thermische geleidbaarheid aanzienlijk wordt verslechterd. Daarom zijn fijne processen zoals de modificatie van diamantoppervlakken en het legeren van kopermatrixen belangrijke technologische barrières die toonaangevende bedrijven van de rest scheiden en zorgen voor productieopbrengst.-Ze zijn ook de belangrijkste concurrentiepunten in de industrie.
De diamantindustrie volgt twee belangrijke technische routes:-enkelvoudig-enkelkristallijn en polykristallijn-met duidelijk verschillende industrialisatietempo's. Enkel-kristaldiamant is niet alleen een materiaal met uitstekende warmte--dissipatie, maar ook een halfgeleider met hoge-prestaties en een brede- bandgap, die voordelen biedt zoals een hoge doorslagspanning, sterke stralingsweerstand en hoge dragermobiliteit, met toekomstig potentieel voor gebruik bij de fabricage van chips bij hoge- temperaturen. De groei van single-kristallen op grote-oppervlakken- blijft echter een enorme uitdaging. De reguliere methoden-drie-dimensionale groei en (tegel)expansie- stellen strenge eisen aan de kwaliteit van het zaadkristal en de afzettingsomgeving, en hebben nog steeds te kampen met problemen als hiaten en niet-uniforme groei, waardoor commerciële implementatie op de korte- termijn moeilijk wordt.
Polykristallijne diamant geproduceerd door CVD-processen kan, hoewel het een iets lagere thermische geleidbaarheid (1000–1800 W/(m·K)) heeft dan monokristallijne diamant als gevolg van fononverstrooiing aan de korrelgrenzen, op grote schaal over grote oppervlakken en tegen lagere kosten worden vervaardigd. De thermische geleidbaarheid verbetert gestaag naarmate de korrelgrootte toeneemt. Hiervan bieden microkristallijne en polykristallijne diamanten met grote-korrels een goede balans tussen prestaties, grootte en kosten, en hun industrialisatievoortgang in de warmtedissipatie van high-vermogensapparaten is veel groter dan die van hoogwaardige-enkelkristallen-producten.
Momenteel is de vervaardiging van CVD-diamanten voornamelijk afhankelijk van vier soorten methoden, waaronder het MPCVD-proces (microwave plasma Chemical Vapour Deposition) de voorkeurskeuze voor de productie van polykristallijne diamant van hoge- kwaliteit vanwege de voordelen van geen elektrodeverontreiniging, stabiel plasma en regelbare parameters. Dit proces wordt echter geconfronteerd met een knelpunt in de apparatuur: de bereiding van diamantfilms met een groot -oppervlak vereist een hoger microgolfvermogen en een lagere microgolffrequentie, zodat de productgrootte en -opbrengst volledig worden beperkt door de hardwareprestaties van de microgolfgenerator.
Deze apparatuurbeperking heeft directe gevolgen voor de gehele industriële keten. Hoog-geïmporteerde MPCVD-systemen zijn duur en hebben lange levertijden, waardoor het tempo van de binnenlandse capaciteitsuitbreiding wordt beperkt. Tegelijkertijd is de in eigen land geproduceerde hoogvermogen-MPCVD-apparatuur snel aan het vernieuwen en doorbreekt het overzeese technologische monopolie. De snelheid van de massaproductie- zal rechtstreeks bepalend zijn voor het kosten-reductietraject van diamantwarmte-materialen, en dus voor de vraag of dit materiaal vanuit hoogwaardige-gespecialiseerde toepassingen kan doordringen in de reguliere computer-energie-industrieën zoals AI-servers en acceleratorkaarten.